Novice
Kratek pogovor o vrstah sončnih celic
Sončna energija je bila nekoč rezerva naprednih vesoljskih plovil in nekaterih modnih pripomočkov, vendar ni več tako. V zadnjem desetletju se je sončna energija preoblikovala iz nišnega energetskega vira v glavni steber svetovne energetske krajine.
Zemlja je nenehno izpostavljena približno 173.000 TW sončnega sevanja, kar je več kot desetkrat več od svetovnega povprečnega povpraševanja po električni energiji.
[1] To pomeni, da lahko sončna energija zadovolji vse naše energetske potrebe.
V prvi polovici leta 2023 je proizvodnja sončne energije predstavljala 5,77 % celotne proizvodnje električne energije v ZDA, s 4,95 % leta 2022.
[2] Čeprav bodo fosilna goriva (predvsem zemeljski plin in premog) leta 2022 predstavljala kar 60,4 % proizvodnje električne energije v ZDA,
[3] Vse večji vpliv sončne energije in hiter razvoj tehnologije sončne energije pa si zaslužita pozornost.
Trenutno so na trgu tri glavne kategorije sončnih celic (znanih tudi kot fotovoltaične (PV) celice): kristalne, tankoplastne in nastajajoče tehnologije. Te tri vrste baterij imajo svoje prednosti v smislu učinkovitosti, stroškov in življenjske dobe.
01 kristal
Večina domačih strešnih sončnih kolektorjev je izdelanih iz monokristalnega silicija visoke čistosti. Tovrstna baterija je v zadnjih letih dosegla izkoristek več kot 26 % in življenjsko dobo več kot 30 let.
[4] Trenutni izkoristek gospodinjskih sončnih kolektorjev je približno 22 %.
Polikristalni silicij stane manj kot monokristalni silicij, vendar je manj učinkovit in ima krajšo življenjsko dobo. Nižja učinkovitost pomeni, da je potrebnih več plošč in več površine.
Sončne celice ki temeljijo na tehnologiji večspojnega galijevega arzenida (GaAs), so učinkovitejše od tradicionalnih sončnih celic. Te celice imajo večplastno strukturo in vsaka plast uporablja drugačen material, kot je indijev galijev fosfid (GaInP), indijev galijev arzenid (InGaAs) in germanij (Ge), za absorbiranje različnih valovnih dolžin sončne svetlobe. Čeprav se pričakuje, da bodo te celice z več stiki dosegale visoko učinkovitost, še vedno trpijo zaradi visokih proizvodnih stroškov ter nezrelih raziskav in razvoja, kar omejuje njihovo komercialno izvedljivost in praktično uporabo.
02 film
Glavni tok tankoslojnih fotovoltaičnih izdelkov na svetovnem trgu so fotonapetostni moduli iz kadmijevega telurida (CdTe). Milijoni takšnih modulov so bili nameščeni po vsem svetu, z najvišjo zmogljivostjo proizvodnje električne energije več kot 30 GW. Uporabljajo se predvsem za proizvodnjo električne energije v komunalnem obsegu v Združenih državah. tovarna.
Pri tej tankoslojni tehnologiji 1 kvadratni meter velik solarni modul vsebuje manj kadmija kot nikelj-kadmijeva (Ni-Cd) baterija velikosti AAA. Poleg tega je kadmij v solarnih modulih vezan na telur, ki je netopen v vodi in ostane stabilen pri temperaturah do 1200 °C. Ti dejavniki zmanjšujejo toksične nevarnosti uporabe kadmijevega telurida v tankoslojnih baterijah.
Vsebnost telura v zemeljski skorji je le 0,001 delcev na milijon. Tako kot je platina redek element, lahko redkost telurja pomembno vpliva na ceno modula kadmijevega telurida. Vendar pa je to težavo mogoče ublažiti s postopki recikliranja.
Učinkovitost modulov kadmijevega telurida lahko doseže 18,6 %, učinkovitost baterije v laboratorijskem okolju pa lahko preseže 22 %. [5] Uporaba arzenovega dopinga za zamenjavo bakrenega dopinga, ki se uporablja že dolgo, lahko močno izboljša življenjsko dobo modula in doseže raven, primerljivo s kristalnimi baterijami.
03 Nastajajoče tehnologije
Nastajajoče fotonapetostne tehnologije, ki uporabljajo ultratanke filme (manj kot 1 mikron) in tehnike neposrednega nanašanja, bodo zmanjšale proizvodne stroške in zagotovile visokokakovostne polprevodnike za sončne celice. Te tehnologije naj bi postale konkurenca uveljavljenim materialom, kot so silicij, kadmijev telurid in galijev arzenid.
[6] Na tem področju obstajajo tri dobro znane tehnologije tankih filmov: bakrov cink kositrov sulfid (Cu2ZnSnS4 ali CZTS), cinkov fosfid (Zn3P2) in enostenske ogljikove nanocevke (SWCNT). V laboratoriju so sončne celice iz bakrovega indij-galijevega selenida (CIGS) dosegle impresivno najvišjo učinkovitost 22,4 %. Vendar pa posnemanje takšnih ravni učinkovitosti v komercialnem obsegu ostaja izziv.
[7]Tankoslojne celice svinčevega halogenida perovskita so privlačna nastajajoča sončna tehnologija. Perovskit je vrsta snovi s tipično kristalno strukturo kemijske formule ABX3. Je rumen, rjav ali črn mineral, katerega glavna sestavina je kalcijev titanat (CaTiO3). Perovskitne tandemske sončne celice na osnovi silicija v komercialnem obsegu, ki jih proizvaja britansko podjetje Oxford PV, so dosegle rekordno učinkovitost 28,6 % in bodo šle v proizvodnjo letos.
[8] V samo nekaj letih so perovskitne sončne celice dosegle učinkovitost, podobno izkoristkom obstoječih tankoslojnih celic iz kadmijevega telurida. V zgodnjih raziskavah in razvoju perovskitnih baterij je bila življenjska doba velik problem, tako kratka, da jo je bilo mogoče izračunati le v mesecih.
Danes imajo perovskitne celice življenjsko dobo 25 let ali več. Trenutno so prednosti perovskitnih sončnih celic visoka učinkovitost pretvorbe (več kot 25 %), nizki proizvodni stroški in nizke temperature, potrebne za proizvodni proces.
Gradnja integriranih sončnih kolektorjev
Nekatere sončne celice so zasnovane tako, da zajamejo le del sončnega spektra, hkrati pa prepuščajo vidni svetlobi. Te prozorne celice se imenujejo sončne celice, občutljive na barvilo (DSC) in so bile rojene v Švici leta 1991. Novi rezultati raziskav in razvoja v zadnjih letih so izboljšali učinkovitost DSC in morda ne bo dolgo, preden bodo ti solarni paneli na trgu.
Nekatera podjetja vnašajo anorganske nanodelce v polikarbonatne plasti stekla. Nanodelci v tej tehnologiji premaknejo določene dele spektra na rob stekla, kar omogoča, da večina spektra preide skozi. Svetlobo, koncentrirano na robu stekla, nato izkoristijo sončne celice. Poleg tega se trenutno preučuje tehnologija za nanašanje perovskitnih tankoslojnih materialov na prozorna sončna okna in zunanje stene zgradb.
Surovine, potrebne za sončno energijo
Za povečanje proizvodnje sončne energije se bo povečalo povpraševanje po rudarjenju pomembnih surovin, kot so silicij, srebro, baker in aluminij. Ameriško ministrstvo za energijo navaja, da se približno 12 % svetovnega metalurškega silicija (MGS) predela v polisilicij za sončne celice.
Kitajska je glavni igralec na tem področju, saj leta 2020 proizvede približno 70 % svetovne MGS in 77 % svoje ponudbe polisilicija.
Postopek pretvorbe silicija v polisilicij zahteva zelo visoke temperature. Na Kitajskem energijo za te procese pridobiva predvsem iz premoga. Xinjiang ima bogate vire premoga in nizke stroške električne energije, njegova proizvodnja polisilicija pa predstavlja 45 % svetovne proizvodnje.
[12]Proizvodnja sončnih kolektorjev porabi približno 10 % svetovnega srebra. Kopanje srebra poteka predvsem v Mehiki, na Kitajskem, v Peruju, Čilu, Avstraliji, Rusiji in na Poljskem ter lahko povzroči težave, kot sta onesnaženje s težkimi kovinami in prisilna selitev lokalnih skupnosti.
Rudarstvo bakra in aluminija predstavlja tudi izziv pri rabi zemljišč. Ameriški geološki zavod ugotavlja, da Čile predstavlja 27 % svetovne proizvodnje bakra, sledijo Peru (10 %), Kitajska (8 %) in Demokratična republika Kongo (8 %). Mednarodna agencija za energijo (IEA) verjame, da se bo povpraševanje po bakru iz solarnih projektov skoraj potrojilo, če bo svetovna poraba obnovljive energije do leta 2050 dosegla 100 %.
[13]Sklep
Bo sončna energija nekega dne postala naš glavni vir energije? Cena sončne energije pada, učinkovitost pa se izboljšuje. Medtem lahko izbirate med številnimi različnimi načini solarne tehnologije. Kdaj bomo identificirali eno ali dve tehnologiji in omogočili, da bosta dejansko delovali? Kako vključiti sončno energijo v omrežje?
Razvoj sončne energije od posebnega do običajnega poudarja njen potencial za izpolnjevanje in preseganje naših potreb po energiji. Medtem ko kristalne sončne celice trenutno prevladujejo na trgu, napredek v tehnologiji tankega filma in nastajajočih tehnologijah, kot sta kadmijev telurid in perovskiti, utirajo pot učinkovitejšim in integriranim sončnim aplikacijam. Sončna energija se še vedno sooča s številnimi izzivi, kot je vpliv rudarjenja surovin na okolje in ozka grla v proizvodnji, vendar je navsezadnje hitro rastoča, inovativna in obetavna panoga.
S pravim ravnovesjem tehnološkega napredka in trajnostnih praks bosta rast in razvoj sončne energije utrla pot za čistejšo in bogatejšo prihodnost z energijo. Zaradi tega bo pokazal znatno rast mešanice energetskih virov v ZDA in naj bi postal globalna trajnostna rešitev.