Μια σύντομη συζήτηση για τα είδη των ηλιακών κυψελών

Η ηλιακή ενέργεια ήταν κάποτε προνόμιο προηγμένων διαστημικών σκαφών και μερικών φανταχτερών gadget, αλλά αυτό δεν ισχύει πλέον. Την τελευταία δεκαετία, η ηλιακή ενέργεια έχει μετατραπεί από μια εξειδικευμένη πηγή ενέργειας σε σημαντικό πυλώνα του παγκόσμιου ενεργειακού τοπίου.

Η γη εκτίθεται συνεχώς σε περίπου 173.000 TW ηλιακής ακτινοβολίας, που είναι πάνω από δέκα φορές μεγαλύτερη από τη μέση παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας.

[1] Αυτό σημαίνει ότι η ηλιακή ενέργεια έχει την ικανότητα να καλύψει όλες τις ενεργειακές μας ανάγκες.

Το πρώτο εξάμηνο του 2023, η ηλιακή παραγωγή ενέργειας αντιπροσώπευε το 5,77% της συνολικής παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ, από 4,95% το 2022.

[2] Αν και τα ορυκτά καύσιμα (κυρίως φυσικό αέριο και άνθρακας) θα αντιπροσωπεύουν έως και το 60,4% της παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας στις ΗΠΑ το 2022,

[3] Αλλά η αυξανόμενη επιρροή της ηλιακής ενέργειας και η ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας ηλιακής ενέργειας αξίζουν προσοχής.

 

Τύποι ηλιακών κυψελών

 

Επί του παρόντος, υπάρχουν τρεις μεγάλες κατηγορίες ηλιακών κυψελών (γνωστές και ως φωτοβολταϊκά (PV) κύτταρα) στην αγορά: κρυσταλλικές, λεπτής μεμβράνης και αναδυόμενες τεχνολογίες. Αυτοί οι τρεις τύποι μπαταριών έχουν τα δικά τους πλεονεκτήματα όσον αφορά την απόδοση, το κόστος και τη διάρκεια ζωής.

 

01 κρύσταλλο

Τα περισσότερα ηλιακά πάνελ στέγης σπιτιού είναι κατασκευασμένα από μονοκρυσταλλικό πυρίτιο υψηλής καθαρότητας. Αυτός ο τύπος μπαταρίας έχει επιτύχει απόδοση μεγαλύτερη από 26% και διάρκεια ζωής μεγαλύτερη από 30 χρόνια τα τελευταία χρόνια.

[4] Η τρέχουσα απόδοση των οικιακών ηλιακών συλλεκτών είναι περίπου 22%.

 

Το πολυκρυσταλλικό πυρίτιο κοστίζει λιγότερο από το μονοκρυσταλλικό πυρίτιο, αλλά είναι λιγότερο αποτελεσματικό και έχει μικρότερη διάρκεια ζωής. Χαμηλότερη απόδοση σημαίνει ότι χρειάζονται περισσότερα πάνελ και περισσότερη επιφάνεια.

 

Ηλιακά κύτταρα που βασίζονται στην τεχνολογία αρσενιδίου του γαλλίου πολλαπλών συνδέσεων (GaAs) είναι πιο αποτελεσματικά από τα παραδοσιακά ηλιακά κύτταρα. Αυτά τα κύτταρα έχουν δομή πολλαπλών στρωμάτων και κάθε στρώμα χρησιμοποιεί διαφορετικό υλικό, όπως φωσφίδιο γαλλίου ινδίου (GaInP), αρσενικό γάλλιο ίνδιο (InGaAs) και γερμάνιο (Ge), για να απορροφήσει διαφορετικά μήκη κύματος ηλιακού φωτός. Αν και αυτές οι κυψέλες πολλαπλών συνδέσεων αναμένεται να επιτύχουν υψηλές αποδόσεις, εξακολουθούν να υποφέρουν από υψηλό κόστος κατασκευής και ανώριμη έρευνα και ανάπτυξη, γεγονός που περιορίζει την εμπορική σκοπιμότητα και τις πρακτικές εφαρμογές τους.

 

02 ταινία

Το κύριο ρεύμα των φωτοβολταϊκών προϊόντων λεπτής μεμβράνης στην παγκόσμια αγορά είναι οι φωτοβολταϊκές μονάδες τελλουρίου καδμίου (CdTe). Εκατομμύρια τέτοιες μονάδες έχουν εγκατασταθεί σε όλο τον κόσμο, με μέγιστη ισχύ παραγωγής ενέργειας άνω των 30 GW. Χρησιμοποιούνται κυρίως για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε κλίμακα κοινής ωφέλειας στις Ηνωμένες Πολιτείες. εργοστάσιο.

 

Σε αυτήν την τεχνολογία λεπτής μεμβράνης, μια ηλιακή μονάδα 1 τετραγωνικού μέτρου περιέχει λιγότερο κάδμιο από μια μπαταρία νικελίου-καδμίου (Ni-Cd) μεγέθους AAA. Επιπλέον, το κάδμιο στις ηλιακές μονάδες συνδέεται με το τελλούριο, το οποίο είναι αδιάλυτο στο νερό και παραμένει σταθερό σε θερμοκρασίες έως και 1.200°C. Αυτοί οι παράγοντες μετριάζουν τους τοξικούς κινδύνους από τη χρήση τελλουρίου καδμίου σε μπαταρίες λεπτής μεμβράνης.

 

Η περιεκτικότητα σε τελλούριο στον φλοιό της γης είναι μόνο 0,001 μέρη ανά εκατομμύριο. Ακριβώς όπως η πλατίνα είναι ένα σπάνιο στοιχείο, η σπανιότητα του τελλουρίου μπορεί να επηρεάσει σημαντικά το κόστος μιας μονάδας τελλουρίου καδμίου. Ωστόσο, είναι δυνατό να μετριαστεί αυτό το πρόβλημα μέσω πρακτικών ανακύκλωσης.

Η απόδοση των μονάδων τελλουρίου καδμίου μπορεί να φτάσει το 18,6%, και η απόδοση της μπαταρίας σε εργαστηριακό περιβάλλον μπορεί να ξεπεράσει το 22%. [5] Η χρήση ντόπινγκ αρσενικού για την αντικατάσταση του ντόπινγκ χαλκού, το οποίο χρησιμοποιείται για μεγάλο χρονικό διάστημα, μπορεί να βελτιώσει σημαντικά τη διάρκεια ζωής της μονάδας και να φτάσει σε επίπεδο συγκρίσιμο με τις μπαταρίες κρυστάλλου.

 

03 Αναδυόμενες τεχνολογίες

 

Οι αναδυόμενες φωτοβολταϊκές τεχνολογίες που χρησιμοποιούν εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες (λιγότερο από 1 micron) και τεχνικές άμεσης εναπόθεσης θα μειώσουν το κόστος παραγωγής και θα παρέχουν υψηλής ποιότητας ημιαγωγούς για ηλιακά κύτταρα. Αυτές οι τεχνολογίες αναμένεται να γίνουν ανταγωνιστές των καθιερωμένων υλικών όπως το πυρίτιο, το τελλουρίδιο του καδμίου και το αρσενίδιο του γαλλίου.

 

[6]Υπάρχουν τρεις πολύ γνωστές τεχνολογίες λεπτής μεμβράνης σε αυτόν τον τομέα: θειούχος κασσίτερος χαλκού ψευδάργυρου (Cu2ZnSnS4 ή CZTS), φωσφίδιο ψευδάργυρου (Zn3P2) και νανοσωλήνες άνθρακα μονού τοιχώματος (SWCNT). Σε εργαστηριακό περιβάλλον, οι ηλιακές κυψέλες σεληνιούχου γαλλίου χαλκού (CIGS) έχουν φτάσει σε εντυπωσιακή μέγιστη απόδοση 22,4%. Ωστόσο, η αναπαραγωγή τέτοιων επιπέδων απόδοσης σε εμπορική κλίμακα παραμένει μια πρόκληση.

[7]Οι κυψέλες λεπτής μεμβράνης περοβσκίτη αλογονιδίου μολύβδου είναι μια ελκυστική αναδυόμενη ηλιακή τεχνολογία. Ο περοβσκίτης είναι ένας τύπος ουσίας με τυπική κρυσταλλική δομή του χημικού τύπου ABX3. Είναι ένα κίτρινο, καφέ ή μαύρο ορυκτό του οποίου το κύριο συστατικό είναι το τιτανικό ασβέστιο (CaTiO3). Διαδοχικά ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη εμπορικής κλίμακας που παράγονται από τη βρετανική εταιρεία Oxford PV έχουν επιτύχει απόδοση ρεκόρ 28,6% και θα τεθούν σε παραγωγή φέτος.

[8]Μέσα σε λίγα μόλις χρόνια, τα ηλιακά κύτταρα περοβσκίτη έχουν επιτύχει αποτελεσματικότητες παρόμοιες με εκείνες των υπαρχόντων κυψελών λεπτού υμενίου τελλουρίου καδμίου. Στην πρώιμη έρευνα και ανάπτυξη των μπαταριών περοβσκίτη, η διάρκεια ζωής ήταν ένα μεγάλο ζήτημα, τόσο σύντομη που μπορούσε να υπολογιστεί μόνο σε μήνες.

Σήμερα, τα κύτταρα περοβσκίτη έχουν διάρκεια ζωής 25 ετών ή περισσότερο. Επί του παρόντος, τα πλεονεκτήματα των ηλιακών κυψελών περοβσκίτη είναι η υψηλή απόδοση μετατροπής (πάνω από 25%), το χαμηλό κόστος παραγωγής και οι χαμηλές θερμοκρασίες που απαιτούνται για τη διαδικασία παραγωγής.

 

Κατασκευή ολοκληρωμένων ηλιακών συλλεκτών

 

Ορισμένες ηλιακές κυψέλες έχουν σχεδιαστεί για να συλλαμβάνουν μόνο ένα μέρος του ηλιακού φάσματος, ενώ επιτρέπουν στο ορατό φως να περάσει. Αυτές οι διαφανείς κυψέλες ονομάζονται ευαισθητοποιημένες με βαφή ηλιακές κυψέλες (DSC) και γεννήθηκαν στην Ελβετία το 1991. Τα νέα αποτελέσματα Ε&Α τα τελευταία χρόνια έχουν βελτιώσει την αποτελεσματικότητα των DSC και μπορεί να μην αργήσει πολύς καιρός να κυκλοφορήσουν στην αγορά αυτά τα ηλιακά πάνελ.

 

Ορισμένες εταιρείες εγχέουν ανόργανα νανοσωματίδια σε πολυανθρακικά στρώματα γυαλιού. Τα νανοσωματίδια αυτής της τεχνολογίας μετατοπίζουν συγκεκριμένα μέρη του φάσματος στην άκρη του γυαλιού, επιτρέποντας στο μεγαλύτερο μέρος του φάσματος να περάσει. Το φως που συγκεντρώνεται στην άκρη του γυαλιού στη συνέχεια αξιοποιείται από ηλιακές κυψέλες. Επιπλέον, μελετάται επί του παρόντος η τεχνολογία για την εφαρμογή υλικών λεπτής μεμβράνης περοβσκίτη σε διαφανή ηλιακά παράθυρα και σε εξωτερικούς τοίχους κτιρίων.

 

Πρώτες ύλες που χρειάζονται για την ηλιακή ενέργεια

Για να αυξηθεί η παραγωγή ηλιακής ενέργειας, θα αυξηθεί η ζήτηση για εξόρυξη σημαντικών πρώτων υλών όπως το πυρίτιο, το ασήμι, ο χαλκός και το αλουμίνιο. Το Υπουργείο Ενέργειας των ΗΠΑ δηλώνει ότι περίπου το 12% του παγκόσμιου πυριτίου μεταλλουργικής ποιότητας (MGS) υποβάλλεται σε επεξεργασία σε πολυπυρίτιο για ηλιακούς συλλέκτες.

 

Η Κίνα είναι σημαντικός παίκτης σε αυτόν τον τομέα, παράγοντας περίπου το 70% του παγκόσμιου MGS και το 77% του εφοδιασμού πολυπυριτίου της το 2020.

 

Η διαδικασία μετατροπής του πυριτίου σε πολυπυρίτιο απαιτεί πολύ υψηλές θερμοκρασίες. Στην Κίνα, η ενέργεια για αυτές τις διεργασίες προέρχεται κυρίως από τον άνθρακα. Η Xinjiang έχει άφθονους πόρους άνθρακα και χαμηλό κόστος ηλεκτρικής ενέργειας και η παραγωγή πολυπυριτίου της αντιπροσωπεύει το 45% της παγκόσμιας παραγωγής.

 

[12]Η παραγωγή ηλιακών συλλεκτών καταναλώνει περίπου το 10% του παγκόσμιου ασημιού. Η εξόρυξη αργύρου συμβαίνει κυρίως στο Μεξικό, την Κίνα, το Περού, τη Χιλή, την Αυστραλία, τη Ρωσία και την Πολωνία και μπορεί να οδηγήσει σε προβλήματα όπως η μόλυνση από βαρέα μέταλλα και η αναγκαστική μετεγκατάσταση των τοπικών κοινοτήτων.

 

Η εξόρυξη χαλκού και αλουμινίου θέτουν επίσης προκλήσεις για τη χρήση γης. Το Αμερικανικό Γεωλογικό Ινστιτούτο σημειώνει ότι η Χιλή αντιπροσωπεύει το 27% της παγκόσμιας παραγωγής χαλκού, ακολουθούμενη από το Περού (10%), την Κίνα (8%) και τη Λαϊκή Δημοκρατία του Κονγκό (8%). Ο Διεθνής Οργανισμός Ενέργειας (IEA) πιστεύει ότι εάν η παγκόσμια χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας φτάσει το 100% έως το 2050, η ζήτηση για χαλκό από ηλιακά έργα σχεδόν θα τριπλασιαστεί.

[13]Συμπέρασμα

 

Θα γίνει μια μέρα η ηλιακή ενέργεια η κύρια πηγή ενέργειας μας; Η τιμή της ηλιακής ενέργειας πέφτει και η απόδοση βελτιώνεται. Εν τω μεταξύ, υπάρχουν πολλές διαφορετικές διαδρομές ηλιακής τεχνολογίας για να διαλέξετε. Πότε θα εντοπίσουμε μία ή δύο τεχνολογίες και θα τις κάνουμε να λειτουργήσουν πραγματικά; Πώς να ενσωματώσετε την ηλιακή ενέργεια στο δίκτυο;

 

Η εξέλιξη της ηλιακής ενέργειας από εξειδικευμένη στην επικρατούσα τάση αναδεικνύει τις δυνατότητές της να καλύψει και να υπερβεί τις ενεργειακές μας ανάγκες. Ενώ τα κρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα κυριαρχούν επί του παρόντος στην αγορά, η πρόοδος στην τεχνολογία λεπτής μεμβράνης και οι αναδυόμενες τεχνολογίες όπως το τελλουρίδιο του καδμίου και οι περοβσκίτες ανοίγουν το δρόμο για πιο αποτελεσματικές και ολοκληρωμένες ηλιακές εφαρμογές. Η ηλιακή ενέργεια εξακολουθεί να αντιμετωπίζει πολλές προκλήσεις, όπως οι περιβαλλοντικές επιπτώσεις της εξόρυξης πρώτων υλών και τα σημεία συμφόρησης στην παραγωγή, αλλά τελικά είναι μια ταχέως αναπτυσσόμενη, καινοτόμος και πολλά υποσχόμενη βιομηχανία.

 

Με τη σωστή ισορροπία τεχνολογικών προόδων και βιώσιμων πρακτικών, η ανάπτυξη και η ανάπτυξη της ηλιακής ενέργειας θα ανοίξει το δρόμο για ένα καθαρότερο, πιο άφθονο ενεργειακό μέλλον. Εξαιτίας αυτού, θα παρουσιάσει σημαντική ανάπτυξη στο ενεργειακό μείγμα των ΗΠΑ και αναμένεται να γίνει μια παγκόσμια βιώσιμη λύση.