მოკლე დისკუსია მზის უჯრედების ტიპებზე

მზის ენერგია ოდესღაც იყო მოწინავე კოსმოსური ხომალდების და ზოგიერთი ლამაზი გაჯეტის ნაკრძალი, მაგრამ ეს ასე აღარ არის. გასული ათწლეულის განმავლობაში, მზის ენერგია გარდაიქმნა ენერგიის ნიშური წყაროდან გლობალური ენერგეტიკული ლანდშაფტის მთავარ საყრდენად.

დედამიწა მუდმივად ექვემდებარება დაახლოებით 173,000 ტვ მზის რადიაციას, რაც ათჯერ აღემატება გლობალურ საშუალო მოთხოვნას ელექტროენერგიაზე.

[1] ეს ნიშნავს, რომ მზის ენერგიას აქვს უნარი დააკმაყოფილოს ჩვენი ენერგიის ყველა საჭიროება.

2023 წლის პირველ ნახევარში მზის ენერგიის გამომუშავებამ შეადგინა აშშ-ს ელექტროენერგიის მთლიანი გამომუშავების 5,77%, 2022 წელს ეს მაჩვენებელი 4,95% იყო.

[2] მიუხედავად იმისა, რომ წიაღისეული საწვავი (ძირითადად ბუნებრივი აირი და ქვანახშირი) 2022 წელს აშშ-ში ელექტროენერგიის წარმოების 60.4%-ს შეადგენს.

[3] მაგრამ მზის ენერგიის მზარდი გავლენა და მზის ენერგიის ტექნოლოგიის სწრაფი განვითარება იმსახურებს ყურადღებას.

 

მზის უჯრედების ტიპები

 

ამჟამად, ბაზარზე არსებობს მზის უჯრედების სამი ძირითადი კატეგორია (ასევე ცნობილია როგორც ფოტოელექტრული (PV) უჯრედები): კრისტალური, თხელი ფენა და განვითარებადი ტექნოლოგიები. ამ სამი ტიპის ბატარეას აქვს საკუთარი უპირატესობები ეფექტურობის, ღირებულებისა და სიცოცხლის ხანგრძლივობის თვალსაზრისით.

 

01 კრისტალი

სახლის სახურავის მზის პანელების უმეტესობა დამზადებულია მაღალი სისუფთავის მონოკრისტალური სილიკონისგან. ამ ტიპის ბატარეამ ბოლო წლებში მიაღწია 26%-ზე მეტ ეფექტურობას და 30 წელზე მეტი მომსახურების ვადა.

[4] საყოფაცხოვრებო მზის პანელების ამჟამინდელი ეფექტურობა არის დაახლოებით 22%.

 

პოლიკრისტალური სილიციუმი უფრო იაფი ღირს, ვიდრე მონოკრისტალური სილიციუმი, მაგრამ ნაკლებად ეფექტურია და აქვს მოკლე სიცოცხლის ხანგრძლივობა. დაბალი ეფექტურობა ნიშნავს, რომ საჭიროა მეტი პანელი და მეტი ფართობი.

 

მზის უჯრედები მრავალ შეერთების გალიუმის არსენიდის (GaAs) ტექნოლოგიაზე დაფუძნებული უფრო ეფექტურია, ვიდრე ტრადიციული მზის უჯრედები. ამ უჯრედებს აქვთ მრავალშრიანი სტრუქტურა და თითოეული ფენა იყენებს განსხვავებულ მასალას, როგორიცაა ინდიუმის გალიუმის ფოსფიდი (GaInP), ინდიუმის გალიუმის არსენიდი (InGaAs) და გერმანიუმი (Ge), მზის ტალღის სხვადასხვა სიგრძის შთანთქმისთვის. მიუხედავად იმისა, რომ მოსალოდნელია, რომ ეს მრავალკავშირიანი უჯრედები მიაღწიონ მაღალ ეფექტურობას, ისინი მაინც განიცდიან მაღალი წარმოების ხარჯებს და გაუაზრებელ კვლევასა და განვითარებას, რაც ზღუდავს მათ კომერციულ მიზანშეწონილობას და პრაქტიკულ გამოყენებას.

 

02 ფილმი

გლობალურ ბაზარზე თხელი ფენის ფოტოელექტრული პროდუქტების ძირითადი ნაწილია კადმიუმის ტელურიდის (CdTe) ფოტოელექტრული მოდულები. მილიონობით ასეთი მოდული დაინსტალირებულია მთელ მსოფლიოში, 30 გვტ-ზე მეტი ენერგიის გამომუშავების მაქსიმალური სიმძლავრით. ისინი ძირითადად გამოიყენება კომუნალური მასშტაბის ელექტროენერგიის წარმოებისთვის შეერთებულ შტატებში. ქარხანა.

 

ამ თხელი ფილმის ტექნოლოგიაში, 1 კვადრატული მეტრიანი მზის მოდული შეიცავს ნაკლებ კადმიუმს, ვიდრე AAA ზომის ნიკელ-კადმიუმის (Ni-Cd) ბატარეა. გარდა ამისა, მზის მოდულებში კადმიუმი დაკავშირებულია თელურიუმთან, რომელიც წყალში უხსნადია და სტაბილური რჩება 1200°C ტემპერატურაზე. ეს ფაქტორები ამცირებს კადმიუმის ტელურიდის გამოყენების ტოქსიკურ საშიშროებებს თხელ გარსიან ბატარეებში.

 

დედამიწის ქერქში თელურიუმის შემცველობა მილიონზე მხოლოდ 0,001 ნაწილია. ისევე, როგორც პლატინა იშვიათი ელემენტია, ტელურუმის იშვიათობამ შეიძლება მნიშვნელოვნად იმოქმედოს კადმიუმის ტელურიდის მოდულის ღირებულებაზე. თუმცა, ამ პრობლემის შემსუბუქება შესაძლებელია გადამუშავების პრაქტიკით.

კადმიუმის ტელურიდის მოდულების ეფექტურობამ შეიძლება მიაღწიოს 18,6%-ს, ხოლო ბატარეის ეფექტურობა ლაბორატორიულ გარემოში შეიძლება აღემატებოდეს 22%-ს. [5] დარიშხანის დოპინგის გამოყენებამ სპილენძის დოპინგის შესაცვლელად, რომელიც დიდი ხანია გამოიყენება, შეიძლება მნიშვნელოვნად გააუმჯობესოს მოდულის სიცოცხლე და მიაღწიოს კრისტალური ბატარეების შესადარებელ დონეს.

 

03 განვითარებადი ტექნოლოგიები

 

განვითარებადი ფოტოელექტრული ტექნოლოგიები ულტრა თხელი ფირების (1 მიკრონზე ნაკლები) და პირდაპირი დეპონირების ტექნიკის გამოყენებით შეამცირებს წარმოების ხარჯებს და უზრუნველყოფს მაღალი ხარისხის ნახევარგამტარებს მზის უჯრედებისთვის. მოსალოდნელია, რომ ეს ტექნოლოგიები კონკურენტები გახდებიან დამკვიდრებული მასალების, როგორიცაა სილიციუმი, კადმიუმის ტელურიდი და გალიუმის არსენიდი.

 

[6] ამ სფეროში არის სამი ცნობილი თხელი ფირის ტექნოლოგია: სპილენძის თუთიის კალის სულფიდი (Cu2ZnSnS4 ან CZTS), თუთიის ფოსფიდი (Zn3P2) და ერთკედლიანი ნახშირბადის ნანომილები (SWCNT). ლაბორატორიულ პირობებში, სპილენძის ინდიუმის გალიუმ სელენიდის (CIGS) მზის ელემენტებმა მიაღწიეს შთამბეჭდავ პიკს 22.4%. თუმცა, ასეთი ეფექტურობის დონის კომერციული მასშტაბის გამეორება გამოწვევად რჩება.

[7]ტყვიის ჰალოგენური პეროვსკიტის თხელი ფირის უჯრედები არის მიმზიდველი განვითარებადი მზის ტექნოლოგია. პეროვსკიტი არის ნივთიერების ტიპი ABX3 ქიმიური ფორმულის ტიპიური კრისტალური სტრუქტურით. ეს არის ყვითელი, ყავისფერი ან შავი მინერალი, რომლის ძირითადი კომპონენტია კალციუმის ტიტანატი (CaTiO3). ბრიტანული კომპანიის Oxford PV-ის მიერ წარმოებული კომერციული მასშტაბის სილიკონზე დაფუძნებული პეროვსკიტის ტანდემური მზის უჯრედები მიაღწიეს რეკორდულ ეფექტურობას 28,6%-ს და წარმოებაში შევა წელს.

[8] სულ რამდენიმე წელიწადში, პეროვსკიტის მზის ბატარეებმა მიაღწიეს ეფექტურობას, როგორც არსებული კადმიუმის ტელურიდის თხელი ფენის უჯრედების. პეროვსკიტის ბატარეების ადრეულ კვლევასა და განვითარებაში სიცოცხლის ხანგრძლივობა იყო დიდი პრობლემა, იმდენად მოკლე, რომ მისი გამოთვლა მხოლოდ თვეებში შეიძლებოდა.

დღეს პეროვსკიტის უჯრედებს აქვთ 25 წელი ან მეტი მომსახურების ვადა. ამჟამად, პეროვსკიტის მზის უჯრედების უპირატესობაა მაღალი კონვერტაციის ეფექტურობა (25%-ზე მეტი), წარმოების დაბალი ხარჯები და წარმოების პროცესისთვის საჭირო დაბალი ტემპერატურა.

 

ინტეგრირებული მზის პანელების მშენებლობა

 

ზოგიერთი მზის ელემენტი შექმნილია მზის სპექტრის მხოლოდ ნაწილის დასაჭერად, ხოლო ხილული სინათლის გავლის საშუალებას. ამ გამჭვირვალე უჯრედებს ეწოდება საღებავისადმი მგრძნობიარე მზის უჯრედები (DSC) და დაიბადა შვეიცარიაში 1991 წელს. ბოლო წლების ახალი კვლევისა და განვითარების შედეგებმა გააუმჯობესა DSC-ების ეფექტურობა და შესაძლოა დიდი დრო არ გასულიყოს, სანამ ეს მზის პანელები გამოვა ბაზარზე.

 

ზოგიერთი კომპანია შუშის არაორგანულ ნანონაწილაკებს შუშის პოლიკარბონატულ ფენებში. ამ ტექნოლოგიის ნანონაწილაკები სპექტრის კონკრეტულ ნაწილებს შუშის კიდეზე გადააქვთ, რაც საშუალებას აძლევს სპექტრის უმეტესობას გაიაროს. შუშის კიდეზე კონცენტრირებული შუქი მზის უჯრედების მიერ არის გამოყენებული. გარდა ამისა, ამჟამად შესწავლილია გამჭვირვალე მზის ფანჯრებზე და შენობის გარე კედლებზე პეროვსკიტის თხელი ფირის მასალების გამოყენების ტექნოლოგია.

 

მზის ენერგიისთვის საჭირო ნედლეული

მზის ენერგიის გამომუშავების გაზრდის მიზნით, გაიზრდება მოთხოვნა მნიშვნელოვანი ნედლეულის მოპოვებაზე, როგორიცაა სილიციუმი, ვერცხლი, სპილენძი და ალუმინი. აშშ-ს ენერგეტიკის დეპარტამენტი აცხადებს, რომ მსოფლიოში მეტალურგიული კლასის სილიკონის (MGS) დაახლოებით 12% გადამუშავდება მზის პანელებისთვის პოლისილიკონად.

 

ჩინეთი ამ სფეროში მთავარი მოთამაშეა, რომელიც 2020 წელს აწარმოებს მსოფლიო MGS-ის 70%-ს და პოლისილიკონის მიწოდების 77%-ს.

 

სილიციუმის პოლისილიკონად გადაქცევის პროცესი მოითხოვს ძალიან მაღალ ტემპერატურას. ჩინეთში ამ პროცესებისთვის ენერგია ძირითადად ნახშირისგან მოდის. სინძიანს აქვს ქვანახშირის უხვი რესურსი და დაბალი ელექტროენერგიის ხარჯები და მისი პოლისილიციუმის წარმოება გლობალური წარმოების 45%-ს შეადგენს.

 

[12]მზის პანელების წარმოება მოიხმარს მსოფლიოს ვერცხლის დაახლოებით 10%-ს. ვერცხლის მოპოვება ძირითადად ხდება მექსიკაში, ჩინეთში, პერუში, ჩილეში, ავსტრალიაში, რუსეთსა და პოლონეთში და შეიძლება გამოიწვიოს ისეთი პრობლემები, როგორიცაა მძიმე ლითონის დაბინძურება და ადგილობრივი თემების იძულებითი გადაადგილება.

 

სპილენძისა და ალუმინის მოპოვება ასევე წარმოადგენს მიწის გამოყენების გამოწვევებს. აშშ-ის გეოლოგიური სამსახური აღნიშნავს, რომ ჩილეს უკავია სპილენძის გლობალური წარმოების 27%, შემდეგ მოდის პერუ (10%), ჩინეთი (8%) და კონგოს დემოკრატიული რესპუბლიკა (8%). ენერგეტიკის საერთაშორისო სააგენტო (IEA) თვლის, რომ თუ 2050 წლისთვის განახლებადი ენერგიის გლობალური მოხმარება 100%-ს მიაღწევს, მზის პროექტებიდან სპილენძზე მოთხოვნა თითქმის სამჯერ გაიზრდება.

[13]დასკვნა

 

გახდება თუ არა მზის ენერგია ერთ დღეს ჩვენი ენერგიის მთავარი წყარო? მზის ენერგიის ფასი ეცემა და ეფექტურობა უმჯობესდება. იმავდროულად, არსებობს მრავალი განსხვავებული მზის ტექნოლოგიის მარშრუტი. როდის გამოვავლენთ ერთ ან ორ ტექნოლოგიას და ვაქცევთ მათ რეალურად მუშაობას? როგორ გავაერთიანოთ მზის ენერგია ქსელში?

 

მზის ენერგიის ევოლუცია სპეციალობიდან მეინსტრიმამდე ხაზს უსვამს მის პოტენციალს, დააკმაყოფილოს და გადააჭარბოს ჩვენს ენერგეტიკულ მოთხოვნილებებს. მიუხედავად იმისა, რომ კრისტალური მზის უჯრედები ამჟამად დომინირებს ბაზარზე, მიღწევები თხელი ფირის ტექნოლოგიაში და განვითარებადი ტექნოლოგიები, როგორიცაა კადმიუმის ტელურიდი და პეროვსკიტები, გზას უხსნის მზის უფრო ეფექტურ და ინტეგრირებულ გამოყენებას. მზის ენერგია ჯერ კიდევ მრავალი გამოწვევის წინაშე დგას, როგორიცაა ნედლეულის მოპოვების გარემოზე ზემოქმედება და წარმოებაში შეფერხებები, მაგრამ ბოლოს და ბოლოს, ის სწრაფად მზარდი, ინოვაციური და პერსპექტიული ინდუსტრიაა.

 

ტექნოლოგიური წინსვლისა და მდგრადი პრაქტიკის სწორი ბალანსით, მზის ენერგიის ზრდა და განვითარება გზას გაუხსნის უფრო სუფთა, უფრო მდიდარი ენერგეტიკული მომავლისკენ. ამის გამო, ის აჩვენებს მნიშვნელოვან ზრდას აშშ-ს ენერგეტიკულ მიქსში და, სავარაუდოდ, გახდება გლობალური მდგრადი გადაწყვეტა.