Кратка дискусија за видовите соларни ќелии

Сончевата енергија некогаш беше зачувување на напредни вселенски летала и некои фенси гаџети, но тоа веќе не е така. Во текот на изминатата деценија, сончевата енергија се трансформираше од ниски извор на енергија во главен столб на глобалниот енергетски пејзаж.

Земјата е постојано изложена на приближно 173.000 TW сончево зрачење, што е повеќе од десет пати повеќе од глобалната просечна побарувачка за електрична енергија.

[1] Ова значи дека сончевата енергија има способност да ги задоволи сите наши енергетски потреби.

Во првата половина на 2023 година, производството на соларна енергија сочинуваше 5,77% од вкупното производство на електрична енергија во САД, од 4,95% во 2022 година.

[2] Иако фосилните горива (главно природен гас и јаглен) ќе учествуваат со дури 60,4% од производството на електрична енергија во САД во 2022 година,

[3] Но, зголеменото влијание на сончевата енергија и брзиот развој на технологијата за соларна енергија заслужуваат внимание.

 

Видови соларни ќелии

 

Во моментов, постојат три главни категории на соларни ќелии (познати и како фотоволтаични (PV) ќелии) на пазарот: кристални, тенко-филмови и новите технологии. Овие три типа на батерии имаат свои предности во однос на ефикасноста, цената и животниот век.

 

01 кристал

Повеќето соларни панели на покривот на домот се направени од монокристален силициум со висока чистота. Овој тип на батерија во последниве години постигна ефикасност од повеќе од 26% и работен век од повеќе од 30 години.

[4] Сегашната ефикасност на соларните панели за домаќинствата е околу 22%.

 

Поликристалниот силициум чини помалку од монокристалниот силициум, но е помалку ефикасен и има пократок животен век. Помалата ефикасност значи дека се потребни повеќе панели и поголема површина.

 

Соларни ќелии базирани на технологијата со повеќе спојни галиум арсенид (GaAs) се поефикасни од традиционалните соларни ќелии. Овие клетки имаат повеќеслојна структура и секој слој користи различен материјал, како што се индиум галиум фосфид (GaInP), индиум галиум арсенид (InGaAs) и германиум (Ge), за да апсорбира различни бранови должини на сончевата светлина. Иако се очекува овие повеќеслојни ќелии да постигнат висока ефикасност, тие сè уште страдаат од високи производствени трошоци и незрели истражувања и развој, што ја ограничува нивната комерцијална изводливост и практична примена.

 

02 филм

Главниот тек на фотоволтаичните производи со тенок филм на глобалниот пазар се фотоволтаичните модули од кадмиум телурид (CdTe). Милиони такви модули се инсталирани ширум светот, со врвен капацитет за производство на енергија од повеќе од 30 GW. Тие главно се користат за производство на електрична енергија во комунални размери во САД. фабрика.

 

Во оваа технологија со тенок филм, соларен модул од 1 квадратен метар содржи помалку кадмиум отколку никел-кадмиум (Ni-Cd) батерија со големина AAA. Дополнително, кадмиумот во соларните модули е поврзан со телуриумот, кој е нерастворлив во вода и останува стабилен на температури до 1200°C. Овие фактори ги ублажуваат токсичните опасности од користењето на кадмиум телурид во батериите со тенок филм.

 

Содржината на телуриум во земјината кора е само 0,001 дел на милион. Исто како што платината е редок елемент, реткоста на телуриумот може значително да влијае на цената на модулот на кадмиум телурид. Сепак, можно е да се ублажи овој проблем преку практики за рециклирање.

Ефикасноста на модулите на кадмиум телурид може да достигне 18,6%, а ефикасноста на батеријата во лабораториска средина може да надмине 22%. [5] Употребата на допинг со арсен за замена на бакарниот допинг, кој се користи долго време, може значително да го подобри животниот век на модулот и да достигне ниво споредливо со кристалните батерии.

 

03 Нови технологии

 

Новите фотоволтаични технологии кои користат ултра-тенки филмови (помалку од 1 микрон) и техники за директно таложење ќе ги намалат трошоците за производство и ќе обезбедат висококвалитетни полупроводници за соларни ќелии. Овие технологии се очекува да станат конкуренти на веќе воспоставените материјали како што се силициум, кадмиум телурид и галиум арсенид.

 

[6]Постојат три добро познати технологии за тенок филм на ова поле: бакар цинк калај сулфид (Cu2ZnSnS4 или CZTS), цинк фосфид (Zn3P2) и јаглеродни наноцевки со еден ѕид (SWCNT). Во лабораториски услови, соларните ќелии од бакар индиум галиум селенид (CIGS) достигнаа импресивна максимална ефикасност од 22,4%. Сепак, реплицирањето на таквите нивоа на ефикасност на комерцијално ниво останува предизвик.

[7]Ќелите со тенок филм од олово халид перовскит се атрактивна соларна технологија што се појавува. Перовскитот е вид супстанција со типична кристална структура со хемиската формула ABX3. Тоа е жолт, кафеав или црн минерал чија главна компонента е калциум титанат (CaTiO3). Сончевите соларни ќелии со тандем перовскит на база на силикон во комерцијални размери, произведени од британската компанија Oxford PV, постигнаа рекордна ефикасност од 28,6% и ќе влезат во производство оваа година.

[8]За само неколку години, соларните ќелии од перовскит постигнаа ефикасност слични на оние на постоечките ќелии со тенок филм од кадмиум телурид. Во раното истражување и развој на батериите перовскит, животниот век беше голем проблем, толку краток што можеше да се пресмета само со месеци.

Денес, перовскитните ќелии имаат работен век од 25 години или повеќе. Во моментов, предностите на перовскитните соларни ќелии се високата ефикасност на конверзија (повеќе од 25%), ниските трошоци за производство и ниските температури потребни за производниот процес.

 

Изградба на интегрирани соларни панели

 

Некои соларни ќелии се дизајнирани да зафаќаат само дел од сончевиот спектар додека дозволуваат видливата светлина да помине низ. Овие проѕирни ќелии се нарекуваат соларни ќелии осетливи со боја (DSC) и се родени во Швајцарија во 1991 година. Новите резултати од истражување и развој во последниве години ја подобрија ефикасноста на DSC и можеби нема да помине долго пред овие соларни панели да се појават на пазарот.

 

Некои компании внесуваат неоргански наночестички во поликарбонатните слоеви од стакло. Наночестичките во оваа технологија поместуваат одредени делови од спектарот на работ на стаклото, дозволувајќи поголем дел од спектарот да помине низ. Светлината концентрирана на работ на стаклото потоа се користи од соларни ќелии. Дополнително, моментално се проучува технологијата за примена на материјали од тенок филм од перовскит на проѕирни соларни прозорци и на надворешни ѕидови.

 

Суровините потребни за сончева енергија

За да се зголеми производството на соларна енергија, ќе се зголеми побарувачката за ископ на важни суровини како што се силикон, сребро, бакар и алуминиум. Министерството за енергетика на САД наведува дека приближно 12% од светскиот силициум од металуршка класа (MGS) се преработува во полисилиум за соларни панели.

 

Кина е главен играч на ова поле, произведувајќи приближно 70% од светскиот MGS и 77% од своето снабдување со полисилициум во 2020 година.

 

Процесот на претворање на силициум во полисилициум бара многу високи температури. Во Кина, енергијата за овие процеси главно доаѓа од јаглен. Ксинџијанг има изобилни ресурси на јаглен и ниски трошоци за електрична енергија, а неговото производство на полисиликон сочинува 45% од глобалното производство.

 

[12]Производството на соларни панели троши приближно 10% од светското сребро. Ископувањето на сребро се случува првенствено во Мексико, Кина, Перу, Чиле, Австралија, Русија и Полска и може да доведе до проблеми како контаминација со тешки метали и принудно преместување на локалните заедници.

 

Ископувањето на бакар и алуминиум, исто така, претставува предизвици за користење на земјиштето. Американскиот геолошки институт забележува дека Чиле учествува со 27% од глобалното производство на бакар, а потоа следат Перу (10%), Кина (8%) и Демократска Република Конго (8%). Меѓународната агенција за енергија (ИЕА) верува дека ако глобалната употреба на обновлива енергија достигне 100% до 2050 година, побарувачката за бакар од соларни проекти ќе се зголеми речиси тројно.

[13]Заклучок

 

Дали сончевата енергија еден ден ќе стане наш главен извор на енергија? Цената на сончевата енергија паѓа, а ефикасноста се подобрува. Во меѓувреме, постојат многу различни правци за соларна технологија за избор. Кога ќе идентификуваме една или две технологии и ќе ги направиме навистина да функционираат? Како да се интегрира сончевата енергија во мрежата?

 

Еволуцијата на сончевата енергија од специјалност во мејнстрим го истакнува нејзиниот потенцијал да ги задоволи и надмине нашите енергетски потреби. Додека кристалните соларни ќелии моментално доминираат на пазарот, напредокот во технологијата со тенок слој и новите технологии како што се кадмиум телурид и перовскитите го отвораат патот за поефикасни и интегрирани соларни апликации. Сончевата енергија сè уште се соочува со многу предизвици, како што се влијанието врз животната средина на рударството на суровини и тесните грла во производството, но сепак, таа е брзорастечка, иновативна и перспективна индустрија.

 

Со правилен баланс на технолошки напредок и одржливи практики, растот и развојот на сончевата енергија ќе го отвори патот за почиста, пообилна енергетска иднина. Поради ова, ќе покаже значителен раст во енергетскиот микс на САД и се очекува да стане глобално одржливо решение.