Güneş pili türleri hakkında kısa bir tartışma

Güneş enerjisi bir zamanlar gelişmiş uzay araçlarının ve bazı süslü aletlerin korumasındaydı, ancak artık durum böyle değil. Geçtiğimiz on yılda güneş enerjisi, niş bir enerji kaynağından küresel enerji ortamının önemli bir direğine dönüştü.

Dünya sürekli olarak yaklaşık 173.000TW güneş radyasyonuna maruz kalmaktadır; bu, küresel ortalama elektrik talebinin on katından fazladır.

[1] Bu, güneş enerjisinin tüm enerji ihtiyacımızı karşılayabilecek özelliğe sahip olduğu anlamına gelir.

2023'ün ilk yarısında güneş enerjisi üretimi, ABD'deki toplam elektrik üretiminin %5,77'sini oluşturdu; bu oran 2022'deki %4,95'ten daha yüksekti.

[2] Her ne kadar fosil yakıtlar (temel olarak doğal gaz ve kömür) 2022 yılında ABD elektrik üretiminin %60,4'ünü oluşturacak olsa da,

[3] Ancak güneş enerjisinin artan etkisi ve güneş enerjisi teknolojisinin hızlı gelişimi dikkati hak ediyor.

 

Güneş pili türleri

 

Şu anda piyasada üç ana güneş pili kategorisi (fotovoltaik (PV) hücreler olarak da bilinir) bulunmaktadır: kristal, ince film ve yeni gelişen teknolojiler. Bu üç tip pilin verimlilik, maliyet ve kullanım ömrü açısından kendi avantajları vardır.

 

01 kristal

Çoğu ev çatısındaki güneş paneli, yüksek saflıkta monokristal silikondan yapılmıştır. Bu tip piller son yıllarda %26'nın üzerinde bir verimliliğe ve 30 yıldan fazla bir hizmet ömrüne ulaştı.

[4] Ev tipi güneş panellerinin mevcut verimliliği yaklaşık %22'dir.

 

Polikristalin silikonun maliyeti monokristalin silikondan daha azdır, ancak daha az verimlidir ve daha kısa bir ömre sahiptir. Daha düşük verimlilik, daha fazla panele ve daha fazla alana ihtiyaç duyulduğu anlamına gelir.

 

Güneş hücreleri Çok eklemli galyum arsenit (GaAs) teknolojisine dayanan güneş pilleri, geleneksel güneş pillerinden daha verimlidir. Bu hücreler çok katmanlı bir yapıya sahip ve her katman, güneş ışığının farklı dalga boylarını absorbe etmek için indiyum galyum fosfit (GaInP), indiyum galyum arsenit (InGaAs) ve germanyum (Ge) gibi farklı bir malzeme kullanıyor. Her ne kadar bu çok bağlantılı hücrelerin yüksek verimlilik elde etmesi beklense de, bunlar hala yüksek üretim maliyetleri ve olgunlaşmamış araştırma ve geliştirme sorunları nedeniyle ticari fizibilitelerini ve pratik uygulamalarını sınırlamaktadır.

 

02 filmi

Küresel pazardaki ince film fotovoltaik ürünlerin ana akımını kadmiyum tellür (CdTe) fotovoltaik modüller oluşturur. Dünyanın dört bir yanında bu tür milyonlarca modül kuruldu ve en yüksek enerji üretim kapasitesi 30 GW'ın üzerinde. Esas olarak Amerika Birleşik Devletleri'nde şebeke ölçeğinde enerji üretimi için kullanılırlar. fabrika.

 

Bu ince film teknolojisinde, 1 metrekarelik bir güneş modülü, AAA boyutunda bir nikel-kadmiyum (Ni-Cd) pilden daha az kadmiyum içerir. Ayrıca güneş modüllerindeki kadmiyum, suda çözünmeyen ve 1.200°C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda stabil kalan tellüryuma bağlıdır. Bu faktörler, ince film pillerde kadmiyum tellür kullanımının toksik tehlikelerini azaltır.

 

Yer kabuğundaki tellür içeriği milyonda yalnızca 0,001 parçadır. Tıpkı platinin nadir bir element olması gibi, tellürün nadirliği de kadmiyum tellür modülünün maliyetini önemli ölçüde etkileyebilir. Ancak geri dönüşüm uygulamalarıyla bu sorunu hafifletmek mümkündür.

Kadmiyum tellür modüllerinin verimliliği %18,6'ya ulaşabiliyor, laboratuvar ortamındaki pil verimliliği ise %22'yi geçebiliyor. [5] Uzun süredir kullanılan bakır katkılamanın yerine arsenik katkılamanın kullanılması, modül ömrünü büyük ölçüde artırabilir ve kristal pillerle karşılaştırılabilecek bir seviyeye ulaşabilir.

 

03Gelişen teknolojiler

 

Ultra ince filmler (1 mikrondan az) ve doğrudan biriktirme tekniklerini kullanan yeni gelişen fotovoltaik teknolojiler, üretim maliyetlerini azaltacak ve güneş pilleri için yüksek kaliteli yarı iletkenler sağlayacaktır. Bu teknolojilerin silikon, kadmiyum tellür ve galyum arsenit gibi yerleşik malzemelere rakip olması bekleniyor.

 

[6]Bu alanda iyi bilinen üç ince film teknolojisi vardır: bakır çinko kalay sülfür (Cu2ZnSnS4 veya CZTS), çinko fosfit (Zn3P2) ve tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT). Laboratuvar ortamında bakır indiyum galyum selenit (CIGS) güneş pilleri %22,4 gibi etkileyici bir zirve verime ulaştı. Ancak, bu tür verimlilik seviyelerini ticari ölçekte kopyalamak hala bir zorluktur.

[7]Kurşun halojenür perovskit ince film hücreleri, yeni ortaya çıkan ilgi çekici bir güneş enerjisi teknolojisidir. Perovskit, ABX3 kimyasal formülünün tipik kristal yapısına sahip bir madde türüdür. Ana bileşeni kalsiyum titanat (CaTiO3) olan sarı, kahverengi veya siyah bir mineraldir. İngiliz şirketi Oxford PV tarafından üretilen ticari ölçekli silikon bazlı perovskit tandem güneş pilleri %28,6'lık rekor bir verime ulaştı ve bu yıl üretime girecek.

[8]Sadece birkaç yıl içinde perovskit güneş pilleri, mevcut kadmiyum tellür ince film hücrelerininkine benzer verimliliklere ulaştı. Perovskit pillerin ilk araştırma ve geliştirmelerinde kullanım ömrü büyük bir sorundu ve o kadar kısaydı ki yalnızca aylarla hesaplanabiliyordu.

Günümüzde perovskit hücrelerin hizmet ömrü 25 yıl veya daha fazladır. Şu anda perovskit güneş pillerinin avantajları, yüksek dönüşüm verimliliği (%25'ten fazla), düşük üretim maliyetleri ve üretim süreci için gereken düşük sıcaklıklardır.

 

Entegre güneş panelleri inşa etmek

 

Bazı güneş pilleri, görünür ışığın geçmesine izin verirken güneş spektrumunun yalnızca bir kısmını yakalayacak şekilde tasarlanmıştır. Bu şeffaf hücreler, boyaya duyarlı güneş pilleri (DSC) olarak adlandırılıyor ve 1991 yılında İsviçre'de doğdu. Son yıllardaki yeni Ar-Ge sonuçları, DSC'lerin verimliliğini artırdı ve bu güneş panellerinin piyasaya çıkması çok uzun sürmeyecek.

 

Bazı şirketler inorganik nanopartikülleri polikarbonat cam katmanlarına aşılıyor. Bu teknolojideki nanopartiküller, spektrumun belirli kısımlarını camın kenarına kaydırarak spektrumun çoğunun geçmesine izin veriyor. Camın kenarında yoğunlaşan ışık daha sonra güneş pilleri tarafından kullanılıyor. Ek olarak, perovskit ince film malzemelerinin şeffaf güneş pencerelerine ve bina dış duvarlarına uygulanmasına yönelik teknoloji de şu anda inceleniyor.

 

Güneş enerjisi için gerekli hammaddeler

Güneş enerjisi üretimini artırmak için silikon, gümüş, bakır ve alüminyum gibi önemli hammaddelerin madenciliğine olan talep artacak. ABD Enerji Bakanlığı, dünyadaki metalurjik sınıf silikonun (MGS) yaklaşık %12'sinin güneş panelleri için polisilikon halinde işlendiğini belirtiyor.

 

Çin, 2020 yılında dünyadaki MGS'nin yaklaşık %70'ini ve polisilikon arzının %77'sini üreterek bu alanda önemli bir oyuncudur.

 

Silikonun polisilikon'a dönüştürülmesi işlemi çok yüksek sıcaklıklar gerektirir. Çin'de bu proseslerin enerjisi çoğunlukla kömürden sağlanıyor. Sincan, bol kömür kaynaklarına ve düşük elektrik maliyetlerine sahiptir ve polisilikon üretimi, küresel üretimin %45'ini oluşturmaktadır.

 

[12]Güneş panellerinin üretimi dünyadaki gümüşün yaklaşık %10'unu tüketmektedir. Gümüş madenciliği öncelikle Meksika, Çin, Peru, Şili, Avustralya, Rusya ve Polonya'da yapılıyor ve ağır metal kirliliği ve yerel toplulukların zorla yer değiştirmesi gibi sorunlara yol açabiliyor.

 

Bakır ve alüminyum madenciliği de arazi kullanımı açısından zorluklar yaratmaktadır. ABD Jeoloji Araştırması, Şili'nin küresel bakır üretiminin %27'sini oluşturduğunu, bunu Peru (%10), Çin (%8) ve Demokratik Kongo Cumhuriyeti'nin (%8) takip ettiğini belirtmektedir. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), küresel yenilenebilir enerji kullanımının 2050 yılına kadar %100'e ulaşması durumunda güneş enerjisi projelerinden bakır talebinin neredeyse üç katına çıkacağına inanıyor.

[13]Sonuç

 

Güneş enerjisi bir gün ana enerji kaynağımız olacak mı? Güneş enerjisinin fiyatı düşüyor ve verimliliği artıyor. Bu arada, aralarından seçim yapabileceğiniz birçok farklı güneş enerjisi teknolojisi rotası var. Ne zaman bir veya iki teknolojiyi belirleyip onları gerçekten çalışır hale getireceğiz? Güneş enerjisi şebekeye nasıl entegre edilir?

 

Güneş enerjisinin uzmanlıktan ana akıma doğru evrimi, enerji ihtiyaçlarımızı karşılama ve aşma potansiyelini vurgulamaktadır. Kristal güneş pilleri şu anda pazara hakim olsa da, ince film teknolojisindeki ilerlemeler ve kadmiyum tellür ve perovskit gibi yeni ortaya çıkan teknolojiler, daha verimli ve entegre güneş enerjisi uygulamalarının önünü açıyor. Güneş enerjisi hâlâ hammadde madenciliğinin çevresel etkisi ve üretimdeki darboğazlar gibi birçok zorlukla karşı karşıyadır ancak sonuçta hızla büyüyen, yenilikçi ve gelecek vaat eden bir endüstridir.

 

Teknolojik gelişmeler ve sürdürülebilir uygulamalar arasındaki doğru denge ile güneş enerjisinin büyümesi ve gelişmesi, daha temiz, daha verimli bir enerji geleceğinin yolunu açacaktır. Bu nedenle ABD enerji karışımında önemli bir büyüme gösterecek ve küresel olarak sürdürülebilir bir çözüm haline gelmesi bekleniyor.