En kort diskussion om typerne af solceller

Solenergi var engang forbeholdt avancerede rumfartøjer og nogle smarte gadgets, men det er ikke længere tilfældet. I løbet af det seneste årti har solenergi forvandlet sig fra en nicheenergikilde til en vigtig søjle i det globale energilandskab.

Jorden udsættes kontinuerligt for cirka 173.000 TW solstråling, hvilket er mere end ti gange det globale gennemsnitlige elbehov.

[1] Det betyder, at solenergi har evnen til at dække alle vores energibehov.

I første halvdel af 2023 tegnede solenergiproduktion sig for 5,77 % af den samlede amerikanske elproduktion, op fra 4,95 % i 2022.

[2] Selvom fossile brændstoffer (hovedsageligt naturgas og kul) vil stå for så meget som 60,4 % af den amerikanske elproduktion i 2022,

[3] Men den voksende indflydelse fra solenergi og den hurtige udvikling af solenergiteknologi fortjener opmærksomhed.

 

Typer af solceller

 

I øjeblikket er der tre hovedkategorier af solceller (også kendt som fotovoltaiske (PV) celler) på markedet: krystallinsk, tyndfilm og nye teknologier. Disse tre typer batterier har deres egne fordele med hensyn til effektivitet, omkostninger og levetid.

 

01 krystal

De fleste tagsolpaneler i hjemmet er lavet af højrent monokrystallinsk silicium. Denne type batteri har opnået en effektivitet på mere end 26% og en levetid på mere end 30 år de seneste år.

[4] Den nuværende effektivitet af husholdningssolpaneler er omkring 22 %.

 

Polykrystallinsk silicium koster mindre end monokrystallinsk silicium, men er mindre effektivt og har en kortere levetid. Lavere effektivitet betyder, at der er behov for flere paneler og mere areal.

 

Solceller baseret på multi-junction gallium arsenid (GaAs) teknologi er mere effektive end traditionelle solceller. Disse celler har en flerlagsstruktur, og hvert lag bruger et andet materiale, såsom indium gallium phosphid (GaInP), indium gallium arsenid (InGaAs) og germanium (Ge), til at absorbere forskellige bølgelængder af sollys. Selvom disse multijunction-celler forventes at opnå høj effektivitet, lider de stadig af høje produktionsomkostninger og umoden forskning og udvikling, hvilket begrænser deres kommercielle gennemførlighed og praktiske anvendelser.

 

02 film

Hovedstrømmen af ​​tyndfilm solcelleprodukter på det globale marked er cadmium tellurid (CdTe) solcellemoduler. Millioner af sådanne moduler er blevet installeret rundt om i verden med en maksimal kraftproduktionskapacitet på mere end 30 GW. De bruges hovedsageligt til elproduktion i brugsskala i USA. fabrik.

 

I denne tyndfilmsteknologi indeholder et 1 kvadratmeter solcellemodul mindre cadmium end et nikkel-cadmium (Ni-Cd) batteri i AAA-størrelse. Derudover er cadmium i solcellemoduler bundet til tellur, som er uopløseligt i vand og forbliver stabilt ved temperaturer helt op til 1.200°C. Disse faktorer mindsker de giftige farer ved at bruge cadmiumtellurid i tyndfilmsbatterier.

 

Indholdet af tellur i jordskorpen er kun 0,001 ppm. Ligesom platin er et sjældent grundstof, kan tellurs sjældenhed betydeligt påvirke prisen på et cadmiumtelluridmodul. Det er dog muligt at afhjælpe dette problem gennem genbrugspraksis.

Effektiviteten af ​​cadmium tellurid-moduler kan nå 18,6%, og batterieffektiviteten i et laboratoriemiljø kan overstige 22%. [5] Brug af arsendoping til at erstatte kobberdoping, som har været brugt i lang tid, kan i høj grad forbedre modulets levetid og nå et niveau, der kan sammenlignes med krystalbatterier.

 

03 Nye teknologier

 

Nye fotovoltaiske teknologier, der anvender ultratynde film (mindre end 1 mikron) og teknikker til direkte deponering, vil reducere produktionsomkostningerne og give højkvalitets halvledere til solceller. Disse teknologier forventes at blive konkurrenter til etablerede materialer som silicium, cadmiumtellurid og galliumarsenid.

 

[6]Der er tre velkendte tyndfilmsteknologier på dette område: kobberzink-tinsulfid (Cu2ZnSnS4 eller CZTS), zinkphosphid (Zn3P2) og enkeltvæggede kulstofnanorør (SWCNT). I laboratoriemiljøer har kobber-indium gallium selenid (CIGS) solceller nået en imponerende maksimal effektivitet på 22,4 %. Det er dog stadig en udfordring at kopiere sådanne effektivitetsniveauer i kommerciel skala.

[7]Blyhalogenid perovskit tyndfilmsceller er en attraktiv ny solteknologi. Perovskit er en type stof med en typisk krystalstruktur med den kemiske formel ABX3. Det er et gult, brunt eller sort mineral, hvis hovedbestanddel er calciumtitanat (CaTiO3). Kommerciel-skala silicium-baserede perovskite tandem solceller produceret af det britiske firma Oxford PV har opnået en rekordeffektiv effektivitet på 28,6% og vil gå i produktion i år.

[8]På blot et par år har perovskit-solceller opnået effektiviteter svarende til de eksisterende cadmiumtellurid-tyndfilmceller. I den tidlige forskning og udvikling af perovskit-batterier var levetiden et stort problem, så kort, at den kun kunne beregnes i måneder.

I dag har perovskitceller en levetid på 25 år eller mere. I øjeblikket er fordelene ved perovskit-solceller høj konverteringseffektivitet (mere end 25%), lave produktionsomkostninger og lave temperaturer, der kræves til produktionsprocessen.

 

Opbygning af integrerede solpaneler

 

Nogle solceller er designet til kun at fange en del af solspektret og samtidig tillade synligt lys at passere igennem. Disse transparente celler kaldes dye-sensitized solar cells (DSC) og blev født i Schweiz i 1991. Nye R&D-resultater i de senere år har forbedret effektiviteten af ​​DSC'er, og det kan ikke vare længe, ​​før disse solpaneler kommer på markedet.

 

Nogle virksomheder infunderer uorganiske nanopartikler i polycarbonatlag af glas. Nanopartiklerne i denne teknologi flytter specifikke dele af spektret til kanten af ​​glasset, så det meste af spektret kan passere igennem. Lyset, der er koncentreret ved kanten af ​​glasset, udnyttes derefter af solceller. Derudover er teknologi til påføring af perovskit tyndfilmmaterialer på gennemsigtige solvinduer og bygnings ydervægge ved at blive undersøgt.

 

Råstoffer, der er nødvendige til solenergi

For at øge solenergiproduktionen vil efterspørgslen efter minedrift af vigtige råmaterialer som silicium, sølv, kobber og aluminium stige. Det amerikanske energiministerium oplyser, at cirka 12 % af verdens metallurgiske silicium (MGS) forarbejdes til polysilicium til solpaneler.

 

Kina er en vigtig aktør på dette område og producerer omkring 70 % af verdens MGS og 77 % af sin polysiliciumforsyning i 2020.

 

Processen med at omdanne silicium til polysilicium kræver meget høje temperaturer. I Kina kommer energien til disse processer hovedsageligt fra kul. Xinjiang har rigelige kulressourcer og lave elomkostninger, og dets polysiliciumproduktion tegner sig for 45% af den globale produktion.

 

[12]Produktionen af ​​solpaneler forbruger cirka 10 % af verdens sølv. Sølvudvinding foregår primært i Mexico, Kina, Peru, Chile, Australien, Rusland og Polen og kan føre til problemer som tungmetalforurening og tvangsflytning af lokalsamfund.

 

Udvinding af kobber og aluminium udgør også udfordringer for arealanvendelsen. US Geological Survey bemærker, at Chile tegner sig for 27% af den globale kobberproduktion, efterfulgt af Peru (10%), Kina (8%) og Den Demokratiske Republik Congo (8%). Det Internationale Energiagentur (IEA) mener, at hvis det globale forbrug af vedvarende energi når 100 % i 2050, vil efterspørgslen efter kobber fra solenergiprojekter næsten tredobles.

[13]Konklusion

 

Vil solenergi en dag blive vores vigtigste energikilde? Prisen på solenergi falder, og effektiviteten forbedres. I mellemtiden er der mange forskellige solteknologiske ruter at vælge imellem. Hvornår vil vi identificere en eller to teknologier og få dem til at fungere? Hvordan integrerer man solenergi i nettet?

 

Solenergis udvikling fra specialitet til mainstream fremhæver dens potentiale til at opfylde og overgå vores energibehov. Mens krystallinske solceller i øjeblikket dominerer markedet, baner fremskridt inden for tyndfilmsteknologi og nye teknologier såsom cadmiumtellurid og perovskiter vejen for mere effektive og integrerede solcelleapplikationer. Solenergi står stadig over for mange udfordringer, såsom miljøbelastningen fra råstofudvinding og flaskehalse i produktionen, men det er trods alt en hurtigt voksende, innovativ og lovende industri.

 

Med den rette balance mellem teknologiske fremskridt og bæredygtig praksis vil væksten og udviklingen af ​​solenergi bane vejen for en renere, mere rigelig energifremtid. På grund af dette vil det vise betydelig vækst i det amerikanske energimix og forventes at blive en global bæredygtig løsning.