Новини
Коротка розмова про види сонячних елементів
Колись сонячна енергія була надбанням передових космічних кораблів і деяких модних гаджетів, але це вже не так. За останнє десятиліття сонячна енергетика перетворилася з нішевого джерела енергії на головну опору глобального енергетичного ландшафту.
Земля постійно піддається впливу приблизно 173 000 ТВт сонячного випромінювання, що більш ніж у десять разів перевищує середній глобальний попит на електроенергію.
[1] Це означає, що сонячна енергія здатна задовольнити всі наші енергетичні потреби.
У першій половині 2023 року виробництво сонячної енергії становило 5,77% від загального обсягу виробництва електроенергії в США проти 4,95% у 2022 році.
[2] Хоча викопне паливо (переважно природний газ і вугілля) становитиме 60,4% виробництва електроенергії в США у 2022 році,
[3] Але зростання впливу сонячної енергії та швидкий розвиток технологій сонячної енергії заслуговують на увагу.
Наразі на ринку існує три основні категорії сонячних елементів (також відомих як фотоелектричні (PV) елементи): кристалічні, тонкоплівкові та нові технології. Ці три типи акумуляторів мають свої переваги щодо ефективності, вартості та терміну служби.
01 кристал
Більшість домашніх сонячних панелей на даху виготовлені з монокристалічного кремнію високої чистоти. Цей тип батареї за останні роки досяг ККД понад 26% і термін служби понад 30 років.
[4] Поточний ККД побутових сонячних панелей становить близько 22%.
Полікристалічний кремній коштує дешевше, ніж монокристалічний кремній, але менш ефективний і має менший термін служби. Нижча ефективність означає, що потрібно більше панелей і більше площі.
Сонячні елементи на основі багатоперехідної технології арсеніду галію (GaAs) є більш ефективними, ніж традиційні сонячні елементи. Ці клітини мають багатошарову структуру, і кожен шар використовує інший матеріал, такий як фосфід індію-галію (GaInP), арсенід індію-галію (InGaAs) і германій (Ge), для поглинання різних довжин хвиль сонячного світла. Хоча очікується, що ці багатоперехідні клітини досягнуть високої ефективності, вони все ще страждають від високих витрат на виробництво та незрілих досліджень і розробок, що обмежує їх комерційну здійсненність і практичне застосування.
02 фільм
Основним потоком тонкоплівкових фотоелектричних продуктів на світовому ринку є фотоелектричні модулі з телуриду кадмію (CdTe). Мільйони таких модулів були встановлені по всьому світу з піковою потужністю виробництва електроенергії понад 30 ГВт. Вони в основному використовуються для виробництва електроенергії в комунальному масштабі в Сполучених Штатах. фабрика.
У цій тонкоплівковій технології сонячний модуль площею 1 квадратний метр містить менше кадмію, ніж нікель-кадмієва (Ni-Cd) батарея розміру AAA. Крім того, кадмій у сонячних модулях пов’язаний з телуром, який нерозчинний у воді та залишається стабільним при температурах до 1200°C. Ці фактори зменшують токсичну небезпеку використання телуриду кадмію в тонкоплівкових акумуляторах.
Вміст телуру в земній корі становить лише 0,001 частин на мільйон. Подібно до того, як платина є рідкісним елементом, рідкість телуру може значно вплинути на вартість модуля телуриду кадмію. Однак цю проблему можна пом’якшити за допомогою практики переробки.
Ефективність модулів телуриду кадмію може досягати 18,6%, а ККД батареї в лабораторних умовах може перевищувати 22%. [5] Використання легування миш’яком замість легування міддю, яке використовувалося протягом тривалого часу, може значно покращити термін служби модуля та досягти рівня, порівнянного з кристалічними батареями.
03Нові технології
Нові фотоелектричні технології з використанням ультратонких плівок (менше 1 мікрона) і методів прямого осадження зменшать витрати на виробництво та забезпечать високоякісні напівпровідники для сонячних елементів. Очікується, що ці технології стануть конкурентами відомим матеріалам, таким як кремній, телурид кадмію та арсенід галію.
[6] У цій галузі є три добре відомі технології тонких плівок: сульфід міді, цинку, олова (Cu2ZnSnS4 або CZTS), фосфід цинку (Zn3P2) і одностінні вуглецеві нанотрубки (SWCNT). У лабораторних умовах сонячні батареї з селеніду міді і галію (CIGS) досягли вражаючого максимального ККД 22,4%. Однак відтворення таких рівнів ефективності в комерційних масштабах залишається проблемою.
[7]Тонкоплівкові елементи з перовскіту галогеніду свинцю є привабливою новою сонячною технологією. Перовскіт є типом речовини з типовою кристалічною структурою хімічної формули ABX3. Це жовтий, коричневий або чорний мінерал, основним компонентом якого є титанат кальцію (CaTiO3). Тандемні сонячні батареї на основі перовскіту на основі кремнію комерційного виробництва, вироблені британською компанією Oxford PV, досягли рекордного ККД 28,6% і будуть запущені у виробництво цього року.
[8]Всього за кілька років перовскітові сонячні батареї досягли ефективності, подібної до ефективності існуючих тонкоплівкових елементів з телуриду кадмію. У ранніх дослідженнях і розробках перовскітових батарей тривалість життя була великою проблемою, настільки короткою, що її можна було обчислити лише місяцями.
Сьогодні перовскітові елементи мають термін служби 25 років і більше. В даний час перевагами перовскітових сонячних елементів є високий ККД перетворення (більше 25%), низькі витрати на виробництво і низькі температури, необхідні для виробничого процесу.
Будівництво інтегрованих сонячних панелей
Деякі сонячні батареї призначені для захоплення лише частини сонячного спектру, дозволяючи пропускати видиме світло. Ці прозорі елементи називаються сенсибілізованими до барвника сонячними елементами (DSC) і були створені в Швейцарії в 1991 році. Нові результати досліджень і розробок за останні роки підвищили ефективність DSC, і невдовзі ці сонячні панелі з’являться на ринку.
Деякі компанії вливають неорганічні наночастинки в полікарбонатні шари скла. Наночастинки в цій технології зміщують певні частини спектру до краю скла, дозволяючи більшій частині спектру проходити крізь нього. Світло, зосереджене на краю скла, потім використовується сонячними елементами. Крім того, зараз вивчається технологія нанесення перовскітних тонкоплівкових матеріалів на прозорі сонячні вікна та зовнішні стіни будівель.
Сировина, необхідна для сонячної енергії
Щоб збільшити виробництво сонячної енергії, зросте попит на видобуток важливої сировини, такої як кремній, срібло, мідь та алюміній. Міністерство енергетики США стверджує, що приблизно 12% світового металургійного кремнію (MGS) переробляється на полікремній для сонячних панелей.
Китай є головним гравцем у цій галузі, виробляючи приблизно 70% світового MGS і 77% своїх поставок полікремнію в 2020 році.
Процес перетворення кремнію в полікремній вимагає дуже високих температур. У Китаї енергія для цих процесів в основному надходить з вугілля. У Сіньцзяні значні ресурси вугілля та низькі витрати на електроенергію, а його виробництво полікремнію становить 45% світового виробництва.
[12]На виробництво сонячних панелей витрачається приблизно 10% світового видобутку срібла. Видобуток срібла відбувається переважно в Мексиці, Китаї, Перу, Чилі, Австралії, Росії та Польщі та може призвести до таких проблем, як забруднення важкими металами та вимушене переселення місцевих громад.
Видобуток міді та алюмінію також створює проблеми землекористування. Геологічна служба США зазначає, що на Чилі припадає 27% світового виробництва міді, за нею йдуть Перу (10%), Китай (8%) і Демократична Республіка Конго (8%). Міжнародне енергетичне агентство (МЕА) вважає, що якщо глобальне використання відновлюваної енергії досягне 100% до 2050 року, попит на мідь для сонячних проектів зросте майже втричі.
[13] Висновок
Чи стане сонячна енергія одного дня нашим основним джерелом енергії? Ціна сонячної енергії падає, а ефективність підвищується. Тим часом існує багато різноманітних сонячних технологій на вибір. Коли ми визначимо одну чи дві технології та змусимо їх реально працювати? Як інтегрувати сонячну енергію в мережу?
Еволюція сонячної енергії від спеціальності до масової підкреслює її потенціал для задоволення та перевищення наших енергетичних потреб. У той час як кристалічні сонячні батареї зараз домінують на ринку, прогрес у тонкоплівкових технологіях і нових технологіях, таких як телурид кадмію та перовскіти, прокладають шлях для більш ефективних і інтегрованих сонячних застосувань. Сонячна енергетика все ще стикається з багатьма проблемами, такими як вплив на навколишнє середовище видобутку сировини та вузькі місця у виробництві, але врешті-решт, це швидкозростаюча, інноваційна та перспективна галузь.
Завдяки правильному балансу технологічних досягнень і стійких методів зростання та розвиток сонячної енергії прокладуть шлях до чистішого та багатшого на енергію майбутнього. Завдяки цьому він продемонструє значне зростання енергетичного балансу США і, як очікується, стане глобальним стійким рішенням.