Správy
Krátka diskusia o typoch solárnych článkov
Slnečná energia bola kedysi doménou pokročilých kozmických lodí a niektorých luxusných zariadení, ale to už neplatí. Za posledné desaťročie sa solárna energia premenila z okrajového zdroja energie na hlavný pilier globálneho energetického prostredia.
Zem je nepretržite vystavená približne 173 000 TW slnečnému žiareniu, čo je viac ako desaťnásobok globálneho priemerného dopytu po elektrickej energii.
[1] To znamená, že solárna energia má schopnosť pokryť všetky naše energetické potreby.
V prvej polovici roku 2023 tvorila solárna energia 5,77 % celkovej výroby elektriny v USA, čo je nárast zo 4,95 % v roku 2022.
[2] Hoci fosílne palivá (najmä zemný plyn a uhlie) budú v roku 2022 predstavovať až 60,4 % výroby elektriny v USA,
[3] Pozornosť si však zaslúži rastúci vplyv solárnej energie a rýchly rozvoj technológie solárnej energie.
V súčasnosti sú na trhu tri hlavné kategórie solárnych článkov (známe aj ako fotovoltaické (PV) články): kryštalické, tenkovrstvové a nové technológie. Tieto tri typy batérií majú svoje výhody z hľadiska účinnosti, nákladov a životnosti.
01 kryštál
Väčšina domácich strešných solárnych panelov je vyrobená z vysoko čistého monokryštalického kremíka. Tento typ batérie dosiahol v posledných rokoch účinnosť viac ako 26 % a životnosť viac ako 30 rokov.
[4] Súčasná účinnosť solárnych panelov v domácnostiach je približne 22 %.
Polykryštalický kremík stojí menej ako monokryštalický kremík, ale je menej účinný a má kratšiu životnosť. Nižšia účinnosť znamená, že je potrebných viac panelov a väčšia plocha.
Solárne bunky založené na technológii multi-junction arzenidu gália (GaAs) sú účinnejšie ako tradičné solárne články. Tieto bunky majú viacvrstvovú štruktúru a každá vrstva používa iný materiál, ako je indium-gálium fosfid (GaInP), indium-gálium arzenid (InGaAs) a germánium (Ge), na absorbovanie rôznych vlnových dĺžok slnečného svetla. Hoci sa očakáva, že tieto multiprechodové bunky dosiahnu vysokú účinnosť, stále trpia vysokými výrobnými nákladmi a nezrelým výskumom a vývojom, čo obmedzuje ich komerčnú realizovateľnosť a praktické aplikácie.
film 02
Hlavným prúdom tenkovrstvových fotovoltaických produktov na globálnom trhu sú fotovoltaické moduly z teluridu kadmia (CdTe). Po celom svete boli nainštalované milióny takýchto modulov so špičkovou kapacitou výroby energie viac ako 30 GW. Používajú sa hlavne na výrobu elektrickej energie v Spojených štátoch amerických. továreň.
V tejto tenkovrstvovej technológii obsahuje solárny modul s rozlohou 1 meter štvorcový menej kadmia ako nikel-kadmiová (Ni-Cd) batéria veľkosti AAA. Okrem toho je kadmium v solárnych moduloch viazané na telúr, ktorý je nerozpustný vo vode a zostáva stabilný pri teplotách až 1 200 °C. Tieto faktory zmierňujú toxické riziká používania teluridu kadmia v tenkovrstvových batériách.
Obsah telúru v zemskej kôre je len 0,001 častice na milión. Rovnako ako platina je vzácny prvok, vzácnosť telúru môže výrazne ovplyvniť cenu modulu telluridu kadmia. Tento problém je však možné zmierniť recyklačnými postupmi.
Účinnosť modulov teluridu kadmia môže dosiahnuť 18,6 % a účinnosť batérie v laboratórnom prostredí môže presiahnuť 22 %. [5] Použitie arzénu na nahradenie dopingu medi, ktorý sa používa už dlhú dobu, môže výrazne zlepšiť životnosť modulu a dosiahnuť úroveň porovnateľnú s kryštálovými batériami.
03 Nové technológie
Nové fotovoltaické technológie využívajúce ultratenké filmy (menej ako 1 mikrón) a techniky priameho nanášania znížia výrobné náklady a poskytnú vysokokvalitné polovodiče pre solárne články. Očakáva sa, že tieto technológie sa stanú konkurentmi zavedeným materiálom, ako je kremík, telurid kadmia a arzenid gália.
[6]V tejto oblasti existujú tri známe technológie tenkých vrstiev: sulfid medi a zinku a cínu (Cu2ZnSnS4 alebo CZTS), fosfid zinočnatý (Zn3P2) a jednostenné uhlíkové nanorúrky (SWCNT). V laboratórnom prostredí dosiahli solárne články meď-indium-gálium selenid (CIGS) pôsobivú maximálnu účinnosť 22,4 %. Zopakovanie takýchto úrovní účinnosti v komerčnom meradle však zostáva výzvou.
[7] Tenkovrstvové články perovskitu s halogenidom olova sú atraktívnou vznikajúcou solárnou technológiou. Perovskit je typ látky s typickou kryštálovou štruktúrou chemického vzorca ABX3. Ide o žltý, hnedý alebo čierny minerál, ktorého hlavnou zložkou je titaničitan vápenatý (CaTiO3). Komerčné kremíkové tandemové perovskitové solárne články vyrábané britskou spoločnosťou Oxford PV dosiahli rekordnú účinnosť 28,6 % a začnú sa vyrábať tento rok.
[8] Len za niekoľko rokov dosiahli perovskitové solárne články účinnosť podobnú účinnosti existujúcich tenkovrstvových článkov z teluridu kadmia. V ranom výskume a vývoji perovskitových batérií bola životnosť veľkým problémom, taká krátka, že sa dala vypočítať iba na mesiace.
Dnes majú perovskitové články životnosť 25 a viac rokov. V súčasnosti sú výhodami perovskitových solárnych článkov vysoká účinnosť konverzie (viac ako 25 %), nízke výrobné náklady a nízke teploty potrebné pre výrobný proces.
Budovanie integrovaných solárnych panelov
Niektoré solárne články sú navrhnuté tak, aby zachytávali iba časť slnečného spektra a zároveň umožňovali priechod viditeľného svetla. Tieto priehľadné články sa nazývajú dye-sensitized solar cells (DSC) a zrodili sa vo Švajčiarsku v roku 1991. Nové výsledky výskumu a vývoja v posledných rokoch zlepšili účinnosť DSC a nemusí trvať dlho, kým sa tieto solárne panely dostanú na trh.
Niektoré spoločnosti napúšťajú anorganické nanočastice do polykarbonátových vrstiev skla. Nanočastice v tejto technológii posúvajú špecifické časti spektra k okraju skla, čím umožňujú prechod väčšiny spektra. Svetlo sústredené na okraji skla je potom využívané solárnymi článkami. Okrem toho sa v súčasnosti študuje technológia nanášania tenkovrstvových materiálov perovskitu na priehľadné solárne okná a vonkajšie steny budov.
Suroviny potrebné pre solárnu energiu
Na zvýšenie výroby solárnej energie sa zvýši dopyt po ťažbe dôležitých surovín, ako je kremík, striebro, meď a hliník. Ministerstvo energetiky USA uvádza, že približne 12 % celosvetového kremíka metalurgickej kvality (MGS) sa spracováva na polysilikón pre solárne panely.
Čína je v tejto oblasti významným hráčom, ktorý v roku 2020 vyrába približne 70 % svetového MGS a 77 % svojich dodávok polysilikónu.
Proces premeny kremíka na polysilikón vyžaduje veľmi vysoké teploty. V Číne pochádza energia pre tieto procesy hlavne z uhlia. Xinjiang má bohaté zdroje uhlia a nízke náklady na elektrinu a jeho výroba polysilikónu predstavuje 45 % celosvetovej produkcie.
[12]Na výrobu solárnych panelov sa spotrebuje približne 10 % svetového striebra. Ťažba striebra sa vyskytuje predovšetkým v Mexiku, Číne, Peru, Čile, Austrálii, Rusku a Poľsku a môže viesť k problémom, ako je kontaminácia ťažkými kovmi a nútené presídlenie miestnych komunít.
Ťažba medi a hliníka tiež predstavuje problémy s využívaním pôdy. US Geological Survey uvádza, že Čile predstavuje 27 % celosvetovej produkcie medi, nasleduje Peru (10 %), Čína (8 %) a Konžská demokratická republika (8 %). Medzinárodná energetická agentúra (IEA) verí, že ak globálne využitie obnoviteľnej energie dosiahne do roku 2050 100 %, dopyt po medi zo solárnych projektov sa takmer strojnásobí.
[13]Záver
Stane sa jedného dňa slnečná energia naším hlavným zdrojom energie? Cena solárnej energie klesá a účinnosť sa zlepšuje. Medzitým existuje veľa rôznych spôsobov solárnej technológie, z ktorých si môžete vybrať. Kedy identifikujeme jednu alebo dve technológie a uvedieme ich do prevádzky? Ako integrovať slnečnú energiu do siete?
Evolúcia solárnej energie zo špeciálnej na bežnú zvýrazňuje jej potenciál splniť a prekročiť naše energetické potreby. Zatiaľ čo kryštalické solárne články v súčasnosti dominujú na trhu, pokroky v technológii tenkých vrstiev a vznikajúce technológie, ako je telurid kadmia a perovskity, pripravujú cestu pre efektívnejšie a integrovanejšie solárne aplikácie. Solárna energia stále čelí mnohým výzvam, ako je environmentálny vplyv ťažby surovín a úzke miesta vo výrobe, no koniec koncov ide o rýchlo rastúci, inovatívny a perspektívny priemysel.
So správnou rovnováhou technologického pokroku a udržateľných postupov vydláždi rast a rozvoj solárnej energie cestu pre čistejšiu a bohatšiu energetickú budúcnosť. Z tohto dôvodu bude vykazovať významný rast v energetickom mixe USA a očakáva sa, že sa stane globálnym udržateľným riešením.