Krótkie omówienie rodzajów ogniw słonecznych

Energia słoneczna była kiedyś domeną zaawansowanych statków kosmicznych i niektórych fantazyjnych gadżetów, ale już tak nie jest. W ciągu ostatniej dekady energia słoneczna przekształciła się z niszowego źródła energii w główny filar światowego krajobrazu energetycznego.

Ziemia jest stale narażona na działanie około 173 000 TW promieniowania słonecznego, co stanowi ponad dziesięciokrotność średniego światowego zapotrzebowania na energię elektryczną.

[1] Oznacza to, że energia słoneczna jest w stanie zaspokoić wszystkie nasze potrzeby energetyczne.

W pierwszej połowie 2023 r. produkcja energii słonecznej stanowiła 5,77% całkowitej produkcji energii w USA, w porównaniu z 4,95% w 2022 r.

[2] Chociaż paliwa kopalne (głównie gaz ziemny i węgiel) będą stanowić aż 60,4% amerykańskiej produkcji energii w 2022 r., to

[3] Na uwagę zasługuje jednak rosnący wpływ energii słonecznej i szybki rozwój technologii energii słonecznej.

 

Rodzaje ogniw słonecznych

 

Obecnie na rynku dostępne są trzy główne kategorie ogniw słonecznych (znanych również jako ogniwa fotowoltaiczne (PV)): ogniwa krystaliczne, cienkowarstwowe i nowe technologie. Te trzy typy akumulatorów mają swoje zalety pod względem wydajności, kosztów i żywotności.

 

01 kryształ

Większość domowych paneli słonecznych na dachach jest wykonana z krzemu monokrystalicznego o wysokiej czystości. W ostatnich latach akumulatory tego typu osiągnęły sprawność przekraczającą 26% i żywotność ponad 30 lat.

[4] Obecna wydajność domowych paneli słonecznych wynosi około 22%.

 

Krzem polikrystaliczny kosztuje mniej niż krzem monokrystaliczny, ale jest mniej wydajny i ma krótszą żywotność. Niższa wydajność oznacza, że ​​potrzeba więcej paneli i większej powierzchni.

 

Ogniwa słoneczne oparte na technologii wielozłączowego arsenku galu (GaAs) są bardziej wydajne niż tradycyjne ogniwa słoneczne. Ogniwa te mają strukturę wielowarstwową, a każda warstwa wykorzystuje inny materiał, taki jak fosforek indu i galu (GaInP), arsenek indu i galu (InGaAs) i german (Ge), aby pochłaniać różne długości fal światła słonecznego. Chociaż oczekuje się, że te ogniwa wielozłączowe osiągną wysoką wydajność, nadal borykają się z wysokimi kosztami produkcji oraz niedojrzałymi badaniami i rozwojem, co ogranicza ich komercyjną wykonalność i praktyczne zastosowania.

 

02 film

Głównym nurtem cienkowarstwowych produktów fotowoltaicznych na rynku światowym są moduły fotowoltaiczne z tellurku kadmu (CdTe). Na całym świecie zainstalowano miliony takich modułów, a szczytowa moc wytwarzania energii przekracza 30 GW. Wykorzystuje się je głównie do wytwarzania energii na skalę przemysłową w Stanach Zjednoczonych. fabryka.

 

W tej technologii cienkowarstwowej moduł słoneczny o powierzchni 1 metra kwadratowego zawiera mniej kadmu niż bateria niklowo-kadmowa (Ni-Cd) wielkości AAA. Ponadto kadm w modułach fotowoltaicznych jest związany z tellurem, który jest nierozpuszczalny w wodzie i pozostaje stabilny w temperaturach sięgających nawet 1200°C. Czynniki te zmniejszają toksyczne ryzyko stosowania tellurku kadmu w akumulatorach cienkowarstwowych.

 

Zawartość telluru w skorupie ziemskiej wynosi tylko 0,001 części na milion. Podobnie jak platyna jest rzadkim pierwiastkiem, rzadkość telluru może znacząco wpłynąć na koszt modułu z tellurku kadmu. Można jednak złagodzić ten problem poprzez praktyki recyklingu.

Sprawność modułów z tellurku kadmu może osiągnąć 18,6%, a wydajność baterii w środowisku laboratoryjnym może przekroczyć 22%. [5] Zastosowanie domieszkowania arsenem zamiast stosowanego od dawna domieszkowania miedzią może znacznie wydłużyć żywotność modułu i osiągnąć poziom porównywalny z akumulatorami kryształowymi.

 

03Nowe technologie

 

Pojawiające się technologie fotowoltaiczne wykorzystujące ultracienkie warstwy (poniżej 1 mikrona) i techniki bezpośredniego osadzania obniżą koszty produkcji i zapewnią wysokiej jakości półprzewodniki do ogniw słonecznych. Oczekuje się, że technologie te staną się konkurencją dla uznanych materiałów, takich jak krzem, tellurek kadmu i arsenek galu.

 

[6] W tej dziedzinie istnieją trzy dobrze znane technologie cienkowarstwowe: siarczek miedzi i cynku i cyny (Cu2ZnSnS4 lub CZTS), fosforek cynku (Zn3P2) i jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT). W warunkach laboratoryjnych ogniwa słoneczne z selenkiem miedzi, indu i galu (CIGS) osiągnęły imponującą szczytową wydajność na poziomie 22,4%. Jednakże odtworzenie takich poziomów wydajności na skalę komercyjną pozostaje wyzwaniem.

[7]Ogniwa cienkowarstwowe z perowskitu halogenkowo-ołowiowego to atrakcyjna, wschodząca technologia słoneczna. Perowskit to rodzaj substancji o typowej strukturze krystalicznej o wzorze chemicznym ABX3. Jest to minerał o barwie żółtej, brązowej lub czarnej, którego głównym składnikiem jest tytanian wapnia (CaTiO3). Komercyjne perowskitowe ogniwa słoneczne na bazie krzemu produkowane na skalę komercyjną przez brytyjską firmę Oxford PV osiągnęły rekordową sprawność na poziomie 28,6% i wejdą do produkcji w tym roku.

[8]W ciągu zaledwie kilku lat perowskitowe ogniwa słoneczne osiągnęły sprawność podobną do wydajności istniejących cienkowarstwowych ogniw z tellurku kadmu. Na początku badań i rozwoju baterii perowskitowych dużym problemem była żywotność, tak krótka, że ​​można ją było obliczyć jedynie w miesiącach.

Obecnie ogniwa perowskitowe mają żywotność 25 lat lub więcej. Obecnie zaletami perowskitowych ogniw słonecznych jest wysoka sprawność konwersji (ponad 25%), niskie koszty produkcji oraz niskie temperatury wymagane w procesie produkcyjnym.

 

Budowa zintegrowanych paneli słonecznych

 

Niektóre ogniwa słoneczne są zaprojektowane tak, aby wychwytywać tylko część widma słonecznego, jednocześnie przepuszczając światło widzialne. Te przezroczyste ogniwa nazywane są ogniwami słonecznymi uczulonymi barwnikiem (DSC) i powstały w Szwajcarii w 1991 r. Nowe wyniki badań i rozwoju przeprowadzone w ostatnich latach poprawiły wydajność DSC i być może nie minie dużo czasu, zanim te panele słoneczne pojawią się na rynku.

 

Niektóre firmy wprowadzają nieorganiczne nanocząsteczki do poliwęglanowych warstw szkła. Nanocząstki zastosowane w tej technologii przesuwają określone części widma w stronę krawędzi szkła, umożliwiając przejście większości widma. Światło skupione na krawędzi szkła jest następnie wykorzystywane przez ogniwa słoneczne. Ponadto obecnie badana jest technologia nakładania cienkowarstwowych materiałów perowskitowych na przezroczyste okna solarne i ściany zewnętrzne budynków.

 

Surowce potrzebne do produkcji energii słonecznej

Aby zwiększyć produkcję energii słonecznej, wzrośnie zapotrzebowanie na wydobycie ważnych surowców, takich jak krzem, srebro, miedź i aluminium. Departament Energii Stanów Zjednoczonych podaje, że około 12% światowego krzemu metalurgicznego (MGS) przetwarza się na polikrzem przeznaczony do paneli słonecznych.

 

Chiny są głównym graczem w tej dziedzinie, wytwarzając około 70% światowych MGS i 77% dostaw polikrzemu w 2020 roku.

 

Proces przekształcania krzemu w polikrzem wymaga bardzo wysokich temperatur. W Chinach energia do tych procesów pochodzi głównie z węgla. Xinjiang ma obfite zasoby węgla i niskie koszty energii elektrycznej, a jego produkcja polikrzemu stanowi 45% światowej produkcji.

 

[12]Do produkcji paneli słonecznych zużywa się około 10% światowego srebra. Wydobycie srebra ma miejsce głównie w Meksyku, Chinach, Peru, Chile, Australii, Rosji i Polsce i może prowadzić do problemów, takich jak zanieczyszczenie metalami ciężkimi i przymusowe przesiedlenia lokalnych społeczności.

 

Wydobycie miedzi i aluminium stwarza również wyzwania w zakresie użytkowania gruntów. US Geological Survey odnotowuje, że Chile odpowiada za 27% światowej produkcji miedzi, a następnie Peru (10%), Chiny (8%) i Demokratyczna Republika Konga (8%). Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) uważa, że ​​jeśli do roku 2050 globalne wykorzystanie energii odnawialnej osiągnie 100%, zapotrzebowanie na miedź z projektów fotowoltaicznych wzrośnie prawie trzykrotnie.

[13]Wniosek

 

Czy energia słoneczna stanie się pewnego dnia naszym głównym źródłem energii? Cena energii słonecznej spada, a efektywność poprawia się. W międzyczasie istnieje wiele różnych ścieżek technologii słonecznej do wyboru. Kiedy zidentyfikujemy jedną lub dwie technologie i sprawimy, że faktycznie będą działać? Jak włączyć energię słoneczną do sieci?

 

Ewolucja energii słonecznej od specjalistycznej do głównego nurtu podkreśla jej potencjał w zakresie zaspokajania, a nawet przekraczania naszych potrzeb energetycznych. Chociaż na rynku dominują obecnie krystaliczne ogniwa słoneczne, postęp w technologii cienkowarstwowej i nowe technologie, takie jak tellurek kadmu i perowskity, torują drogę bardziej wydajnym i zintegrowanym zastosowaniom fotowoltaicznym. Energia słoneczna wciąż stoi przed wieloma wyzwaniami, takimi jak wpływ wydobycia surowców na środowisko i wąskie gardła w produkcji, ale przecież jest to szybko rozwijająca się, innowacyjna i obiecująca branża.

 

Przy odpowiedniej równowadze postępu technologicznego i zrównoważonych praktyk wzrost i rozwój energii słonecznej utoruje drogę do czystszej przyszłości energetycznej w obfitości. Z tego powodu wykaże znaczny wzrost koszyka energetycznego USA i oczekuje się, że stanie się globalnym zrównoważonym rozwiązaniem.