Nyheter
En kort diskusjon om typene solceller
Solenergi var en gang forbeholdt avanserte romfartøyer og noen fancy gadgets, men det er ikke lenger tilfelle. I løpet av det siste tiåret har solenergi forvandlet seg fra en nisjeenergikilde til en hovedpilar i det globale energilandskapet.
Jorden eksponeres kontinuerlig for omtrent 173 000 TW solstråling, som er mer enn ti ganger det globale gjennomsnittlige elektrisitetsbehovet.
[1] Dette betyr at solenergi har evnen til å dekke alle våre energibehov.
I første halvdel av 2023 utgjorde solenergiproduksjonen 5,77 % av den totale kraftproduksjonen i USA, opp fra 4,95 % i 2022.
[2] Selv om fossilt brensel (hovedsakelig naturgass og kull) vil utgjøre så mye som 60,4 % av USAs kraftproduksjon i 2022,
[3] Men den økende innflytelsen fra solenergi og den raske utviklingen av solenergiteknologi fortjener oppmerksomhet.
For tiden er det tre hovedkategorier av solceller (også kjent som fotovoltaiske (PV) celler) på markedet: krystallinsk, tynnfilm og nye teknologier. Disse tre batteritypene har sine egne fordeler når det gjelder effektivitet, kostnad og levetid.
01 krystall
De fleste solcellepaneler på taket er laget av monokrystallinsk silisium med høy renhet. Denne typen batterier har oppnådd en effektivitet på over 26 % og en levetid på over 30 år de siste årene.
[4] Den nåværende effektiviteten til husholdningssolpaneler er omtrent 22 %.
Polykrystallinsk silisium koster mindre enn monokrystallinsk silisium, men er mindre effektivt og har kortere levetid. Lavere effektivitet betyr at flere paneler og mer areal er nødvendig.
Solceller basert på multi-junction gallium arsenide (GaAs) teknologi er mer effektive enn tradisjonelle solceller. Disse cellene har en flerlagsstruktur, og hvert lag bruker et annet materiale, for eksempel indiumgalliumfosfid (GaInP), indiumgalliumarsenid (InGaAs) og germanium (Ge), for å absorbere forskjellige bølgelengder av sollys. Selv om disse multijunction-cellene forventes å oppnå høy effektivitet, lider de fortsatt av høye produksjonskostnader og umoden forskning og utvikling, noe som begrenser deres kommersielle gjennomførbarhet og praktiske anvendelser.
02 film
Hovedstrømmen av tynnfilm solcelleprodukter på det globale markedet er kadmium telluride (CdTe) solcellemoduler. Millioner av slike moduler er installert rundt om i verden, med en maksimal kraftproduksjonskapasitet på mer enn 30 GW. De brukes hovedsakelig til kraftproduksjon i bruksskala i USA. fabrikk.
I denne tynnfilmteknologien inneholder en 1 kvadratmeter stor solcellemodul mindre kadmium enn et nikkel-kadmium-batteri (Ni-Cd) i AAA-størrelse. I tillegg er kadmiumet i solcellemoduler bundet til tellur, som er uløselig i vann og holder seg stabilt ved temperaturer så høye som 1200°C. Disse faktorene reduserer de giftige farene ved bruk av kadmiumtellurid i tynnfilmsbatterier.
Innholdet av tellur i jordskorpen er bare 0,001 deler per million. Akkurat som platina er et sjeldent element, kan tellurs sjeldenhet påvirke kostnadene for en kadmiumtelluridmodul betydelig. Det er imidlertid mulig å lindre dette problemet gjennom gjenvinningspraksis.
Effektiviteten til kadmiumtelluridmoduler kan nå 18,6 %, og batterieffektiviteten i et laboratoriemiljø kan overstige 22 %. [5] Å bruke arsenikkdoping for å erstatte kobberdoping, som har vært brukt i lang tid, kan forbedre modulens levetid betraktelig og nå et nivå som kan sammenlignes med krystallbatterier.
03 Nye teknologier
Nye solcelleteknologier som bruker ultratynne filmer (mindre enn 1 mikron) og direkte avsetningsteknikker vil redusere produksjonskostnadene og gi høykvalitets halvledere for solceller. Disse teknologiene forventes å bli konkurrenter til etablerte materialer som silisium, kadmiumtellurid og galliumarsenid.
[6]Det er tre velkjente tynnfilmteknologier på dette feltet: kobbersink-tinnsulfid (Cu2ZnSnS4 eller CZTS), sinkfosfid (Zn3P2) og enkeltveggede karbon-nanorør (SWCNT). I laboratoriemiljøer har kobberindiumgalliumselenid (CIGS) solceller nådd en imponerende toppeffektivitet på 22,4 %. Å gjenskape slike effektivitetsnivåer i kommersiell skala er imidlertid fortsatt en utfordring.
[7]Blyhalogenid perovskitt tynnfilmceller er en attraktiv ny solenergiteknologi. Perovskitt er en type stoff med en typisk krystallstruktur med den kjemiske formelen ABX3. Det er et gult, brunt eller svart mineral hvis hovedkomponent er kalsiumtitanat (CaTiO3). Kommersiell skala silisiumbaserte perovskitt-tandemsolceller produsert av det britiske selskapet Oxford PV har oppnådd en rekordeffektivitet på 28,6 % og vil gå i produksjon i år.
[8]På bare noen få år har perovskittsolceller oppnådd effektiviteter som ligner på de eksisterende kadmiumtellurid-tynnfilmceller. I den tidlige forskningen og utviklingen av perovskittbatterier var levetiden et stort problem, så kort at den bare kunne beregnes i måneder.
I dag har perovskittceller en levetid på 25 år eller mer. Foreløpig er fordelene med perovskittsolceller høy konverteringseffektivitet (mer enn 25%), lave produksjonskostnader og lave temperaturer som kreves for produksjonsprosessen.
Bygge integrerte solcellepaneler
Noen solceller er designet for å fange bare en del av solspekteret samtidig som det lar synlig lys passere gjennom. Disse gjennomsiktige cellene kalles dye-sensitized solar cells (DSC) og ble født i Sveits i 1991. Nye FoU-resultater de siste årene har forbedret effektiviteten til DSC-er, og det kan ikke ta lang tid før disse solcellepanelene kommer på markedet.
Noen selskaper tilfører uorganiske nanopartikler i polykarbonatlag av glass. Nanopartikler i denne teknologien flytter spesifikke deler av spekteret til kanten av glasset, slik at det meste av spekteret kan passere gjennom. Lyset som er konsentrert ved kanten av glasset blir så utnyttet av solceller. I tillegg studeres teknologi for å påføre tynnfilmmaterialer av perovskitt på gjennomsiktige solvinduer og yttervegger.
Råvarer som trengs for solenergi
For å øke solenergiproduksjonen vil etterspørselen etter utvinning av viktige råvarer som silisium, sølv, kobber og aluminium øke. Det amerikanske energidepartementet opplyser at omtrent 12 % av verdens metallurgiske silisium (MGS) blir behandlet til polysilisium for solcellepaneler.
Kina er en viktig aktør på dette feltet, og produserer omtrent 70 % av verdens MGS og 77 % av sin polysilisiumforsyning i 2020.
Prosessen med å konvertere silisium til polysilisium krever svært høye temperaturer. I Kina kommer energien til disse prosessene hovedsakelig fra kull. Xinjiang har rikelig med kullressurser og lave strømkostnader, og polysilisiumproduksjonen står for 45 % av den globale produksjonen.
[12]Produksjonen av solcellepaneler bruker omtrent 10 % av verdens sølv. Sølvutvinning skjer først og fremst i Mexico, Kina, Peru, Chile, Australia, Russland og Polen og kan føre til problemer som tungmetallforurensning og tvangsflytting av lokalsamfunn.
Kobber- og aluminiumsgruvedrift utgjør også arealutfordringer. US Geological Survey bemerker at Chile står for 27 % av den globale kobberproduksjonen, fulgt av Peru (10 %), Kina (8 %) og Den demokratiske republikken Kongo (8 %). Det internasjonale energibyrået (IEA) mener at dersom det globale forbruket av fornybar energi når 100 % innen 2050, vil etterspørselen etter kobber fra solenergiprosjekter nesten tredobles.
[13]Konklusjon
Vil solenergi en dag bli vår viktigste energikilde? Prisen på solenergi faller og effektiviteten blir bedre. I mellomtiden er det mange forskjellige solteknologiske ruter å velge mellom. Når vil vi identifisere en eller to teknologier og få dem til å fungere? Hvordan integrere solenergi i nettet?
Solenergiens utvikling fra spesialitet til mainstream fremhever potensialet til å møte og overgå våre energibehov. Mens krystallinske solceller dominerer markedet for tiden, baner fremskritt innen tynnfilmteknologi og nye teknologier som kadmiumtellurid og perovskitter vei for mer effektive og integrerte solenergiapplikasjoner. Solenergi står fortsatt overfor mange utfordringer, som miljøpåvirkningen fra råvareutvinning og flaskehalser i produksjonen, men det er tross alt en raskt voksende, innovativ og lovende industri.
Med den rette balansen mellom teknologiske fremskritt og bærekraftig praksis, vil veksten og utviklingen av solenergi bane vei for en renere, mer rikelig energifremtid. På grunn av dette vil det vise betydelig vekst i den amerikanske energimiksen og forventes å bli en global bærekraftig løsning.