Краткое обсуждение типов солнечных батарей.

Солнечная энергия когда-то была прерогативой современных космических кораблей и некоторых модных гаджетов, но сейчас это уже не так. За последнее десятилетие солнечная энергия превратилась из нишевого источника энергии в важную опору глобального энергетического ландшафта.

Земля постоянно подвергается воздействию примерно 173 000 ТВт солнечной радиации, что более чем в десять раз превышает среднюю мировую потребность в электроэнергии.

[1] Это означает, что солнечная энергия способна удовлетворить все наши энергетические потребности.

В первой половине 2023 года выработка солнечной энергии составила 5,77% от общего производства электроэнергии в США по сравнению с 4,95% в 2022 году.

[2] Хотя в 2022 году на ископаемое топливо (в основном природный газ и уголь) будет приходиться до 60,4% выработки электроэнергии в США,

[3] Но растущее влияние солнечной энергетики и быстрое развитие технологий солнечной энергетики заслуживают внимания.

 

Типы солнечных батарей

 

В настоящее время на рынке существуют три основные категории солнечных элементов (также известных как фотоэлектрические (PV) элементы): кристаллические, тонкопленочные и новые технологии. Эти три типа батарей имеют свои преимущества с точки зрения эффективности, стоимости и срока службы.

 

01 кристалл

Большинство солнечных панелей на крыше домов изготовлены из монокристаллического кремния высокой чистоты. За последние годы этот тип аккумуляторов достиг эффективности более 26% и срока службы более 30 лет.

[4] Текущая эффективность бытовых солнечных панелей составляет около 22%.

 

Поликристаллический кремний стоит дешевле, чем монокристаллический кремний, но он менее эффективен и имеет более короткий срок службы. Более низкая эффективность означает, что требуется больше панелей и больше площади.

 

Солнечные батареи основанные на технологии многопереходного арсенида галлия (GaAs), более эффективны, чем традиционные солнечные элементы. Эти ячейки имеют многослойную структуру, и в каждом слое используется различный материал, такой как фосфид индия-галлия (GaInP), арсенид индия-галлия (InGaAs) и германий (Ge), для поглощения различных длин волн солнечного света. Хотя ожидается, что эти многопереходные элементы достигнут высокой эффективности, они по-прежнему страдают от высоких производственных затрат и неразвитости исследований и разработок, что ограничивает их коммерческую осуществимость и практическое применение.

 

02 фильм

Основным направлением тонкопленочных фотоэлектрических продуктов на мировом рынке являются фотоэлектрические модули из теллурида кадмия (CdTe). По всему миру установлены миллионы таких модулей, пиковая мощность которых превышает 30 ГВт. Они в основном используются для производства электроэнергии в США. фабрика.

 

При использовании этой тонкопленочной технологии солнечный модуль площадью 1 квадратный метр содержит меньше кадмия, чем никель-кадмиевая (Ni-Cd) батарея размера AAA. Кроме того, кадмий в солнечных модулях связан с теллуром, который нерастворим в воде и остается стабильным при температурах до 1200°C. Эти факторы снижают токсическую опасность использования теллурида кадмия в тонкопленочных батареях.

 

Содержание теллура в земной коре составляет всего 0,001 частей на миллион. Подобно тому, как платина является редким элементом, редкость теллура может существенно повлиять на стоимость модуля из теллурида кадмия. Однако эту проблему можно решить с помощью практики переработки отходов.

КПД модулей из теллурида кадмия может достигать 18,6%, а КПД батареи в лабораторных условиях может превышать 22%. [5] Использование легирования мышьяком вместо меди, которая использовалась в течение длительного времени, может значительно улучшить срок службы модуля и достичь уровня, сравнимого с кристаллическими батареями.

 

03Новые технологии

 

Новые фотоэлектрические технологии с использованием ультратонких пленок (менее 1 микрона) и методов прямого осаждения позволят снизить производственные затраты и обеспечить высококачественные полупроводники для солнечных элементов. Ожидается, что эти технологии станут конкурентами таких традиционных материалов, как кремний, теллурид кадмия и арсенид галлия.

 

[6] В этой области существуют три хорошо известные технологии тонких пленок: сульфид меди-цинка-олова (Cu2ZnSnS4 или CZTS), фосфид цинка (Zn3P2) и одностенные углеродные нанотрубки (SWCNT). В лабораторных условиях солнечные элементы из селенида меди, индия, галлия (CIGS) достигли впечатляющего пикового КПД в 22,4%. Однако воспроизведение такого уровня эффективности в коммерческом масштабе остается сложной задачей.

[7] Тонкопленочные элементы на основе галогенида свинца и перовскита являются привлекательной новой солнечной технологией. Перовскит — это тип вещества с типичной кристаллической структурой химической формулы ABX3. Это желтый, коричневый или черный минерал, основным компонентом которого является титанат кальция (CaTiO3). Коммерческие тандемные солнечные элементы на основе перовскита из кремния, производимые британской компанией Oxford PV, достигли рекордной эффективности 28,6% и будут запущены в производство в этом году.

[8] Всего за несколько лет перовскитные солнечные элементы достигли эффективности, аналогичной эффективности существующих тонкопленочных элементов из теллурида кадмия. На ранних этапах исследований и разработок перовскитовых батарей срок их службы был большой проблемой, настолько коротким, что его можно было исчислить только месяцами.

Сегодня срок службы перовскитных ячеек составляет 25 и более лет. В настоящее время преимуществами перовскитных солнечных элементов являются высокий КПД преобразования (более 25%), низкие производственные затраты и низкие температуры, необходимые для производственного процесса.

 

Создание интегрированных солнечных панелей

 

Некоторые солнечные элементы предназначены для улавливания только части солнечного спектра, пропуская при этом видимый свет. Эти прозрачные элементы называются сенсибилизированными красителем солнечными элементами (DSC) и появились в Швейцарии в 1991 году. Новые результаты исследований и разработок последних лет повысили эффективность DSC, и, возможно, совсем скоро эти солнечные панели появятся на рынке.

 

Некоторые компании внедряют неорганические наночастицы в поликарбонатные слои стекла. Наночастицы в этой технологии смещают определенные части спектра к краю стекла, пропуская большую часть спектра. Свет, сконцентрированный на краю стекла, затем используется солнечными элементами. Кроме того, в настоящее время изучается технология нанесения тонкопленочных перовскитных материалов на прозрачные солнечные окна и наружные стены зданий.

 

Сырье, необходимое для солнечной энергетики

Для увеличения производства солнечной энергии увеличится спрос на добычу такого важного сырья, как кремний, серебро, медь и алюминий. Министерство энергетики США заявляет, что около 12% мирового металлургического кремния (MGS) перерабатывается в поликремний для солнечных панелей.

 

Китай является крупным игроком в этой области, производя примерно 70% мировых поставок MGS и 77% поставок поликремния в 2020 году.

 

Процесс преобразования кремния в поликремний требует очень высоких температур. В Китае энергия для этих процессов в основном поступает из угля. Синьцзян обладает богатыми запасами угля и низкими затратами на электроэнергию, а производство поликремния в нем составляет 45% мирового производства.

 

[12] Производство солнечных панелей потребляет около 10% мирового серебра. Добыча серебра происходит в основном в Мексике, Китае, Перу, Чили, Австралии, России и Польше и может привести к таким проблемам, как загрязнение тяжелыми металлами и принудительное переселение местных сообществ.

 

Добыча меди и алюминия также создает проблемы в землепользовании. Геологическая служба США отмечает, что на Чили приходится 27% мирового производства меди, за ней следуют Перу (10%), Китай (8%) и Демократическая Республика Конго (8%). Международное энергетическое агентство (МЭА) считает, что если к 2050 году использование возобновляемых источников энергии в мире достигнет 100%, спрос на медь в солнечных проектах почти утроится.

[13]Заключение

 

Станет ли однажды солнечная энергия нашим основным источником энергии? Цена на солнечную энергию падает, а эффективность повышается. В то же время существует множество различных маршрутов использования солнечной энергии на выбор. Когда мы определим одну или две технологии и заставим их работать? Как интегрировать солнечную энергию в сеть?

 

Эволюция солнечной энергетики от специализации до основного направления подчеркивает ее потенциал удовлетворения и превышения наших энергетических потребностей. Хотя кристаллические солнечные элементы в настоящее время доминируют на рынке, достижения в области тонкопленочных технологий и новые технологии, такие как теллурид кадмия и перовскиты, открывают путь для более эффективных и интегрированных солнечных приложений. Солнечная энергетика по-прежнему сталкивается со многими проблемами, такими как воздействие добычи сырья на окружающую среду и узкие места в производстве, но, в конце концов, это быстрорастущая, инновационная и многообещающая отрасль.

 

При правильном балансе технологических достижений и устойчивых практик рост и развитие солнечной энергетики проложит путь к более чистому и богатому энергетическому будущему. Благодаря этому он продемонстрирует значительный рост в энергетическом балансе США и, как ожидается, станет глобальным устойчивым решением.