Nieuws
Een korte discussie over de soorten zonnecellen
Zonne-energie was ooit het domein van geavanceerde ruimtevaartuigen en enkele fraaie gadgets, maar dat is niet langer het geval. De afgelopen tien jaar is zonne-energie getransformeerd van een niche-energiebron naar een belangrijke pijler van het mondiale energielandschap.
De aarde wordt voortdurend blootgesteld aan ongeveer 173.000 TW aan zonnestraling, wat ruim tien maal de mondiale gemiddelde elektriciteitsvraag is.
[1] Dit betekent dat zonne-energie in al onze energiebehoeften kan voorzien.
In de eerste helft van 2023 was de opwekking van zonne-energie verantwoordelijk voor 5,77% van de totale elektriciteitsopwekking in de VS, tegen 4,95% in 2022.
[2] Hoewel fossiele brandstoffen (voornamelijk aardgas en steenkool) in 2022 maar liefst 60,4% van de Amerikaanse energieopwekking zullen uitmaken,
[3] Maar de groeiende invloed van zonne-energie en de snelle ontwikkeling van zonne-energietechnologie verdienen aandacht.
Momenteel zijn er drie grote categorieën zonnecellen (ook wel fotovoltaïsche (PV) cellen genoemd) op de markt: kristallijne, dunnefilm- en opkomende technologieën. Deze drie soorten batterijen hebben hun eigen voordelen op het gebied van efficiëntie, kosten en levensduur.
01 kristal
De meeste zonnepanelen op daken zijn gemaakt van monokristallijn silicium met een hoge zuiverheidsgraad. Dit type accu heeft de afgelopen jaren een rendement behaald van ruim 26% en een levensduur van ruim 30 jaar.
[4] Het huidige rendement van huishoudelijke zonnepanelen bedraagt ongeveer 22%.
Polykristallijn silicium kost minder dan monokristallijn silicium, maar is minder efficiënt en heeft een kortere levensduur. Een lager rendement betekent dat er meer panelen en meer oppervlakte nodig zijn.
Zonnepanelen gebaseerd op multi-junction galliumarsenide (GaAs) technologie zijn efficiënter dan traditionele zonnecellen. Deze cellen hebben een meerlaagse structuur en elke laag gebruikt een ander materiaal, zoals indium gallium fosfide (GaInP), indium gallium arsenide (InGaAs) en germanium (Ge), om verschillende golflengten van zonlicht te absorberen. Hoewel van deze multijunctiecellen wordt verwacht dat ze een hoge efficiëntie bereiken, lijden ze nog steeds onder hoge productiekosten en onvolwassen onderzoek en ontwikkeling, wat hun commerciële haalbaarheid en praktische toepassingen beperkt.
02 filmpje
De mainstream van dunne-film fotovoltaïsche producten op de wereldmarkt zijn fotovoltaïsche modules met cadmiumtelluride (CdTe). Miljoenen van dergelijke modules zijn over de hele wereld geïnstalleerd, met een piekstroomopwekkingscapaciteit van meer dan 30 GW. Ze worden voornamelijk gebruikt voor energieopwekking op nutsschaal in de Verenigde Staten. fabriek.
Bij deze dunnefilmtechnologie bevat een zonnepaneel van 1 vierkante meter minder cadmium dan een nikkel-cadmium (Ni-Cd) batterij van AAA-formaat. Bovendien is het cadmium in zonnepanelen gebonden aan tellurium, dat onoplosbaar is in water en stabiel blijft bij temperaturen tot 1.200 °C. Deze factoren verminderen de giftige gevaren van het gebruik van cadmiumtelluride in dunnefilmbatterijen.
Het telluriumgehalte in de aardkorst bedraagt slechts 0,001 delen per miljoen. Net zoals platina een zeldzaam element is, kan de zeldzaamheid van tellurium de kosten van een cadmiumtelluridemodule aanzienlijk beïnvloeden. Het is echter mogelijk om dit probleem te verlichten door middel van recyclingpraktijken.
De efficiëntie van cadmiumtelluridemodules kan 18,6% bereiken, en de batterijefficiëntie in een laboratoriumomgeving kan hoger zijn dan 22%. [5] Het gebruik van arseendoping ter vervanging van koperdoping, die al lange tijd wordt gebruikt, kan de levensduur van de module aanzienlijk verbeteren en een niveau bereiken dat vergelijkbaar is met dat van kristalbatterijen.
03Opkomende technologieën
Opkomende fotovoltaïsche technologieën die gebruik maken van ultradunne films (minder dan 1 micron) en directe depositietechnieken zullen de productiekosten verlagen en hoogwaardige halfgeleiders voor zonnecellen opleveren. Verwacht wordt dat deze technologieën concurrenten zullen worden van gevestigde materialen zoals silicium, cadmiumtelluride en galliumarsenide.
[6]Er zijn drie bekende dunnefilmtechnologieën op dit gebied: koper-zinktinsulfide (Cu2ZnSnS4 of CZTS), zinkfosfide (Zn3P2) en enkelwandige koolstofnanobuisjes (SWCNT). In een laboratoriumomgeving hebben koper-indium-gallium-selenide (CIGS)-zonnecellen een indrukwekkend piekrendement van 22,4% bereikt. Het blijft echter een uitdaging om dergelijke efficiëntieniveaus op commerciële schaal te repliceren.
[7]Loodhalide-perovskiet-dunnefilmcellen zijn een aantrekkelijke opkomende zonnetechnologie. Perovskiet is een soort stof met een typische kristalstructuur met de chemische formule ABX3. Het is een geel, bruin of zwart mineraal waarvan het hoofdbestanddeel calciumtitanaat (CaTiO3) is. Op silicium gebaseerde perovskiet-tandemzonnecellen op commerciële schaal, geproduceerd door het Britse bedrijf Oxford PV, hebben een recordefficiëntie van 28,6% bereikt en zullen dit jaar in productie gaan.
[8]In slechts een paar jaar tijd hebben perovskietzonnecellen een efficiëntie bereikt die vergelijkbaar is met die van bestaande dunnefilmcellen met cadmiumtelluride. In het vroege onderzoek en de ontwikkeling van perovskietbatterijen was de levensduur een groot probleem, zo kort dat deze slechts in maanden kon worden berekend.
Tegenwoordig hebben perovskietcellen een levensduur van 25 jaar of langer. Momenteel zijn de voordelen van perovskietzonnecellen een hoge conversie-efficiëntie (meer dan 25%), lage productiekosten en lage temperaturen die nodig zijn voor het productieproces.
Het bouwen van geïntegreerde zonnepanelen
Sommige zonnecellen zijn ontworpen om slechts een deel van het zonnespectrum op te vangen en tegelijkertijd zichtbaar licht door te laten. Deze transparante cellen worden kleurstof-gesensibiliseerde zonnecellen (DSC) genoemd en zijn in 1991 in Zwitserland geboren. Nieuwe R&D-resultaten van de afgelopen jaren hebben de efficiëntie van DSC's verbeterd, en het zal misschien niet lang meer duren voordat deze zonnepanelen op de markt komen.
Sommige bedrijven injecteren anorganische nanodeeltjes in polycarbonaatglaslagen. De nanodeeltjes in deze technologie verschuiven specifieke delen van het spectrum naar de rand van het glas, waardoor het grootste deel van het spectrum erdoorheen kan. Het aan de rand van het glas geconcentreerde licht wordt vervolgens opgevangen door zonnecellen. Bovendien wordt momenteel de technologie bestudeerd voor het aanbrengen van dunne-filmmaterialen van perovskiet op transparante zonneramen en buitenmuren van gebouwen.
Grondstoffen nodig voor zonne-energie
Om de opwekking van zonne-energie te vergroten, zal de vraag naar de winning van belangrijke grondstoffen zoals silicium, zilver, koper en aluminium toenemen. Het Amerikaanse ministerie van Energie stelt dat ongeveer 12% van 's werelds metallurgische silicium (MGS) wordt verwerkt tot polysilicium voor zonnepanelen.
China is een belangrijke speler op dit gebied en produceert in 2020 ongeveer 70% van de MGS in de wereld en 77% van zijn polysiliciumaanbod.
Het proces waarbij silicium in polysilicium wordt omgezet, vereist zeer hoge temperaturen. In China komt de energie voor deze processen vooral uit steenkool. Xinjiang beschikt over overvloedige steenkoolvoorraden en lage elektriciteitskosten, en de polysiliciumproductie is goed voor 45% van de mondiale productie.
[12]De productie van zonnepanelen verbruikt ongeveer 10% van het zilver in de wereld. Zilverwinning vindt voornamelijk plaats in Mexico, China, Peru, Chili, Australië, Rusland en Polen en kan tot problemen leiden zoals verontreiniging met zware metalen en gedwongen verplaatsing van lokale gemeenschappen.
Koper- en aluminiummijnbouw vormen ook uitdagingen op het gebied van landgebruik. De US Geological Survey merkt op dat Chili 27% van de mondiale koperproductie voor zijn rekening neemt, gevolgd door Peru (10%), China (8%) en de Democratische Republiek Congo (8%). Het Internationaal Energieagentschap (IEA) is van mening dat als het mondiale gebruik van hernieuwbare energie in 2050 de 100% bereikt, de vraag naar koper uit zonne-energieprojecten bijna zal verdrievoudigen.
[13]Conclusie
Zal zonne-energie ooit onze belangrijkste energiebron worden? De prijs van zonne-energie daalt en de efficiëntie verbetert. In de tussentijd zijn er veel verschillende zonnetechnologieroutes om uit te kiezen. Wanneer zullen we een of twee technologieën identificeren en ze daadwerkelijk laten werken? Hoe integreer je zonne-energie in het elektriciteitsnet?
De evolutie van zonne-energie van specialiteit naar mainstream benadrukt het potentieel ervan om aan onze energiebehoeften te voldoen en deze zelfs te overtreffen. Terwijl kristallijne zonnecellen momenteel de markt domineren, maken ontwikkelingen in dunnefilmtechnologie en opkomende technologieën zoals cadmiumtelluride en perovskieten de weg vrij voor efficiëntere en geïntegreerde zonne-energietoepassingen. Zonne-energie kent nog steeds veel uitdagingen, zoals de milieu-impact van de grondstoffenwinning en knelpunten in de productie, maar het is tenslotte een snelgroeiende, innovatieve en veelbelovende industrie.
Met de juiste balans tussen technologische vooruitgang en duurzame praktijken zal de groei en ontwikkeling van zonne-energie de weg vrijmaken voor een schonere, overvloedigere energietoekomst. Hierdoor zal het een aanzienlijke groei in de Amerikaanse energiemix laten zien en zal het naar verwachting een mondiale duurzame oplossing worden.