En kort diskussion om typerna av solceller

Solenergi var en gång förbehållet avancerade rymdfarkoster och några snygga prylar, men så är det inte längre. Under det senaste decenniet har solenergi förvandlats från en nischad energikälla till en viktig pelare i det globala energilandskapet.

Jorden exponeras kontinuerligt för cirka 173 000 TW solstrålning, vilket är mer än tio gånger det globala genomsnittliga elbehovet.

[1] Det betyder att solenergi har förmågan att tillgodose alla våra energibehov.

Under första halvåret 2023 stod solenergiproduktionen för 5,77 % av den totala energiproduktionen i USA, upp från 4,95 % 2022.

[2] Även om fossila bränslen (främst naturgas och kol) kommer att stå för så mycket som 60,4 % av USA:s kraftproduktion 2022,

[3] Men det växande inflytandet från solenergi och den snabba utvecklingen av solenergiteknik förtjänar uppmärksamhet.

 

Typer av solceller

 

För närvarande finns det tre huvudkategorier av solceller (även känd som fotovoltaiska (PV) celler) på marknaden: kristallin, tunnfilm och ny teknik. Dessa tre typer av batterier har sina egna fördelar när det gäller effektivitet, kostnad och livslängd.

 

01 kristall

De flesta solpaneler på taket är gjorda av högrent monokristallint kisel. Denna typ av batteri har uppnått en verkningsgrad på mer än 26% och en livslängd på mer än 30 år de senaste åren.

[4] Den nuvarande effektiviteten för hushållssolpaneler är cirka 22 %.

 

Polykristallint kisel kostar mindre än monokristallint kisel, men är mindre effektivt och har kortare livslängd. Lägre effektivitet innebär att fler paneler och mer yta behövs.

 

Solceller baserade på multi-junction gallium arsenide (GaAs) teknologi är mer effektiva än traditionella solceller. Dessa celler har en flerskiktsstruktur och varje lager använder olika material, såsom indiumgalliumfosfid (GaInP), indiumgalliumarsenid (InGaAs) och germanium (Ge), för att absorbera olika våglängder av solljus. Även om dessa multijunction-celler förväntas uppnå hög effektivitet, lider de fortfarande av höga tillverkningskostnader och omogen forskning och utveckling, vilket begränsar deras kommersiella genomförbarhet och praktiska tillämpningar.

 

02 film

Huvudströmmen av tunnfilms solcellsprodukter på den globala marknaden är kadmiumtellurid (CdTe) solcellsmoduler. Miljontals sådana moduler har installerats runt om i världen, med en maximal kraftgenereringskapacitet på mer än 30 GW. De används främst för elproduktion i allmännyttiga skala i USA. fabrik.

 

I denna tunnfilmsteknik innehåller en 1 kvadratmeter stor solcellsmodul mindre kadmium än ett nickel-kadmium-batteri i AAA-storlek (Ni-Cd). Dessutom är kadmiumet i solcellsmoduler bundet till tellur, som är olösligt i vatten och förblir stabilt vid temperaturer så höga som 1 200°C. Dessa faktorer minskar de giftiga riskerna med att använda kadmiumtellurid i tunnfilmsbatterier.

 

Innehållet av tellur i jordskorpan är bara 0,001 ppm. Precis som platina är ett sällsynt grundämne, kan tellurs sällsynthet avsevärt påverka kostnaden för en kadmiumtelluridmodul. Det är dock möjligt att lindra detta problem genom återvinningsmetoder.

Verkningsgraden för kadmiumtelluridmoduler kan nå 18,6 %, och batterieffektiviteten i en laboratoriemiljö kan överstiga 22 %. [5] Att använda arsenikdopning för att ersätta koppardopning, som har använts under lång tid, kan avsevärt förbättra modulens livslängd och nå en nivå som är jämförbar med kristallbatterier.

 

03 Nya teknologier

 

Framväxande solcellstekniker som använder ultratunna filmer (mindre än 1 mikron) och direktavsättningstekniker kommer att minska produktionskostnaderna och tillhandahålla högkvalitativa halvledare för solceller. Dessa teknologier förväntas bli konkurrenter till etablerade material som kisel, kadmiumtellurid och galliumarsenid.

 

[6]Det finns tre välkända tunnfilmstekniker inom detta område: kopparzink-tennsulfid (Cu2ZnSnS4 eller CZTS), zinkfosfid (Zn3P2) och enkelväggiga kolnanorör (SWCNT). I laboratoriemiljö har kopparindiumgalliumselenid (CIGS) solceller nått en imponerande toppeffektivitet på 22,4 %. Att replikera sådana effektivitetsnivåer i kommersiell skala är dock fortfarande en utmaning.

[7]Blyhalogenid perovskit tunnfilmsceller är en attraktiv framväxande solteknik. Perovskit är en typ av ämne med en typisk kristallstruktur med den kemiska formeln ABX3. Det är ett gult, brunt eller svart mineral vars huvudkomponent är kalciumtitanat (CaTiO3). Kommersiell skala kiselbaserade perovskite tandem solceller producerade av det brittiska företaget Oxford PV har uppnått en rekordeffektiv effektivitet på 28,6 % och kommer att börja produceras i år.

[8]På bara några år har perovskitsolceller uppnått en effektivitet liknande den hos befintliga kadmiumtellurid-tunnfilmsceller. I den tidiga forskningen och utvecklingen av perovskitbatterier var livslängden en stor fråga, så kort att den bara kunde beräknas i månader.

Idag har perovskitceller en livslängd på 25 år eller mer. För närvarande är fördelarna med perovskite solceller hög omvandlingseffektivitet (mer än 25%), låga produktionskostnader och låga temperaturer som krävs för produktionsprocessen.

 

Bygga integrerade solpaneler

 

Vissa solceller är utformade för att bara fånga en del av solspektrumet samtidigt som synligt ljus kan passera igenom. Dessa genomskinliga celler kallas färgsensibiliserade solceller (DSC) och föddes i Schweiz 1991. Nya FoU-resultat de senaste åren har förbättrat effektiviteten hos DSC:er, och det kan inte dröja länge innan dessa solpaneler kommer ut på marknaden.

 

Vissa företag infunderar oorganiska nanopartiklar i polykarbonatskikt av glas. Nanopartiklarna i denna teknologi flyttar specifika delar av spektrumet till glaskanten, vilket låter det mesta av spektrumet passera igenom. Ljuset som koncentreras vid glaskanten utnyttjas sedan av solceller. Dessutom studeras för närvarande teknik för att applicera tunnfilmsmaterial av perovskit på genomskinliga solfönster och bygga ytterväggar.

 

Råvaror som behövs för solenergi

För att öka solenergiproduktionen kommer efterfrågan på brytning av viktiga råvaror som kisel, silver, koppar och aluminium att öka. Det amerikanska energidepartementet uppger att cirka 12 % av världens metallurgiska kisel (MGS) bearbetas till polykisel för solpaneler.

 

Kina är en stor aktör inom detta område och producerar cirka 70 % av världens MGS och 77 % av sin tillgång på polykisel 2020.

 

Processen att omvandla kisel till polykisel kräver mycket höga temperaturer. I Kina kommer energin för dessa processer huvudsakligen från kol. Xinjiang har rikliga kolresurser och låga elkostnader, och dess polykiselproduktion står för 45 % av den globala produktionen.

 

[12]Tillverkningen av solpaneler förbrukar ungefär 10 % av världens silver. Silverbrytning sker främst i Mexiko, Kina, Peru, Chile, Australien, Ryssland och Polen och kan leda till problem som tungmetallförorening och tvångsförflyttningar av lokalsamhällen.

 

Koppar- och aluminiumbrytning innebär också utmaningar för markanvändningen. US Geological Survey noterar att Chile står för 27 % av den globala kopparproduktionen, följt av Peru (10 %), Kina (8 %) och Demokratiska republiken Kongo (8 %). Internationella energibyrån (IEA) tror att om den globala användningen av förnybar energi når 100 % till 2050, kommer efterfrågan på koppar från solenergiprojekt att nästan tredubblas.

[13]Slutsats

 

Kommer solenergi en dag att bli vår huvudsakliga energikälla? Priset på solenergi sjunker och effektiviteten förbättras. Under tiden finns det många olika solteknikvägar att välja mellan. När kommer vi att identifiera en eller två tekniker och få dem att faktiskt fungera? Hur integrerar man solenergi i nätet?

 

Solenergins utveckling från specialitet till mainstream belyser dess potential att möta och överträffa våra energibehov. Medan kristallina solceller för närvarande dominerar marknaden, banar framsteg inom tunnfilmsteknologi och framväxande teknologier som kadmiumtellurid och perovskiter vägen för mer effektiva och integrerade solenergiapplikationer. Solenergi står fortfarande inför många utmaningar, som miljöpåverkan från råvarubrytning och flaskhalsar i produktionen, men trots allt är det en snabbväxande, innovativ och lovande industri.

 

Med rätt balans mellan tekniska framsteg och hållbara metoder kommer tillväxten och utvecklingen av solenergi att bana väg för en renare, mer riklig energiframtid. På grund av detta kommer det att visa betydande tillväxt i USA:s energimix och förväntas bli en global hållbar lösning.