Lyhyt keskustelu aurinkokennojen tyypeistä

Aurinkoenergia oli aikoinaan kehittyneiden avaruusalusten ja hienojen vempaimien säilytyspaikka, mutta niin ei enää ole. Viimeisen vuosikymmenen aikana aurinkoenergia on muuttunut niche-energialähteestä maailmanlaajuisen energiamaiseman tärkeimmäksi pilariksi.

Maapallo altistuu jatkuvasti noin 173 000 TW auringonsäteilylle, mikä on yli kymmenen kertaa maailman keskimääräinen sähkönkulutus.

[1] Tämä tarkoittaa, että aurinkoenergialla on kyky täyttää kaikki energiatarpeemme.

Vuoden 2023 ensimmäisellä puoliskolla aurinkosähkön tuotanto oli 5,77 prosenttia Yhdysvaltojen kokonaissähköntuotannosta, kun se vuonna 2022 oli 4,95 prosenttia.

[2] Vaikka fossiilisten polttoaineiden (pääasiassa maakaasu ja kivihiili) osuus Yhdysvaltain sähköntuotannosta vuonna 2022 on jopa 60,4 %,

[3] Mutta aurinkoenergian kasvava vaikutus ja aurinkoenergiateknologian nopea kehitys ansaitsevat huomiota.

 

Aurinkokennojen tyypit

 

Tällä hetkellä markkinoilla on kolme pääluokkaa aurinkokennoja (tunnetaan myös nimellä aurinkokenno (PV)): kiteiset, ohutkalvot ja kehittyvät teknologiat. Näillä kolmella akutyypillä on omat etunsa tehokkuuden, kustannusten ja käyttöiän suhteen.

 

01 kristalli

Suurin osa kodin katolla olevista aurinkopaneeleista on valmistettu erittäin puhtaasta monokiteisestä piistä. Tämäntyyppisten akkujen hyötysuhde on yli 26 % ja käyttöikä yli 30 vuotta viime vuosina.

[4] Kotitalouksien aurinkopaneelien nykyinen hyötysuhde on noin 22 %.

 

Monikiteinen pii maksaa vähemmän kuin yksikiteinen pii, mutta se on vähemmän tehokas ja sen käyttöikä on lyhyempi. Pienempi tehokkuus tarkoittaa, että tarvitaan enemmän paneeleita ja enemmän tilaa.

 

Aurinkokennot moniliitosgalliumarsenidi (GaAs) -teknologiaan perustuvat ovat tehokkaampia kuin perinteiset aurinkokennot. Näillä soluilla on monikerroksinen rakenne, ja jokainen kerros käyttää eri materiaalia, kuten indiumgalliumfosfidia (GaInP), indiumgalliumarsenidia (InGaAs) ja germaniumia (Ge), absorboimaan eri aallonpituuksia auringonvaloa. Vaikka näiden moniliitoskennojen odotetaan saavuttavan korkean hyötysuhteen, ne kärsivät silti korkeista valmistuskustannuksista ja epäkypsästä tutkimuksesta ja kehityksestä, mikä rajoittaa niiden kaupallista toteutettavuutta ja käytännön sovelluksia.

 

02 elokuva

Ohutkalvoisten aurinkosähkötuotteiden päävirta globaaleilla markkinoilla on kadmiumtelluridi (CdTe) -aurinkosähkömoduulit. Miljoonia tällaisia ​​moduuleja on asennettu ympäri maailmaa, ja niiden huipputeho on yli 30 GW. Niitä käytetään pääasiassa yleishyödylliseen sähköntuotantoon Yhdysvalloissa. tehdas.

 

Tässä ohutkalvotekniikassa 1 neliömetrin aurinkomoduuli sisältää vähemmän kadmiumia kuin AAA-kokoinen nikkelikadmium (Ni-Cd) -akku. Lisäksi aurinkomoduulien kadmium on sitoutunut telluuriin, joka on veteen liukenematon ja pysyy stabiilina jopa 1200°C:n lämpötiloissa. Nämä tekijät vähentävät myrkyllisiä vaaroja, joita aiheutuu kadmiumtelluridin käytöstä ohutkalvoakuissa.

 

Telluuripitoisuus maankuoressa on vain 0,001 miljoonasosaa. Aivan kuten platina on harvinainen alkuaine, telluurin harvinaisuus voi vaikuttaa merkittävästi kadmiumtelluridimoduulin hintaan. Tätä ongelmaa on kuitenkin mahdollista lievittää kierrätyskäytännöillä.

Kadmiumtelluridimoduulien hyötysuhde voi olla 18,6 % ja akun hyötysuhde laboratorioympäristössä yli 22 %. [5] Arseeniseostuksen käyttäminen kupariseostuksen korvaamiseen, jota on käytetty pitkään, voi parantaa huomattavasti moduulin käyttöikää ja saavuttaa kristalliakkuihin verrattavan tason.

 

03Uusi teknologia

 

Kehittyvät aurinkosähkötekniikat, joissa käytetään erittäin ohuita kalvoja (alle 1 mikroni) ja suorapinnoitustekniikoita, vähentävät tuotantokustannuksia ja tarjoavat korkealaatuisia puolijohteita aurinkokennoille. Näistä teknologioista odotetaan tulevan kilpailijoita vakiintuneille materiaaleille, kuten piille, kadmiumtelluridille ja galliumarsenidille.

 

[6]Tällä alalla on kolme tunnettua ohutkalvoteknologiaa: kuparisinkkitinasulfidi (Cu2ZnSnS4 tai CZTS), sinkkifosfidi (Zn3P2) ja yksiseinäiset hiilinanoputket (SWCNT). Laboratorioolosuhteissa kupari-indiumgallium-selenide (CIGS) -aurinkokennot ovat saavuttaneet vaikuttavan 22,4 %:n huipputehokkuuden. Tällaisten tehokkuustasojen toistaminen kaupallisessa mittakaavassa on kuitenkin edelleen haaste.

[7]Lyijyhalogenidiperovskiittiohutkalvokennot ovat houkutteleva nouseva aurinkoteknologia. Perovskiitti on ainetyyppi, jolla on tyypillinen kiderakenne, jonka kemiallinen kaava on ABX3. Se on keltainen, ruskea tai musta mineraali, jonka pääkomponentti on kalsiumtitanaatti (CaTiO3). Brittiyhtiön Oxford PV:n valmistamat kaupalliset piipohjaiset perovskiittipohjaiset tandem-aurinkokennot ovat saavuttaneet ennätyksellisen 28,6 %:n hyötysuhteen ja tulevat tuotantoon tänä vuonna.

[8]Vain muutamassa vuodessa perovskiittiaurinkokennot ovat saavuttaneet samanlaisia ​​hyötysuhteita kuin olemassa olevat kadmiumtelluridiohutkalvokennot. Perovskite-akkujen varhaisessa tutkimuksessa ja kehittämisessä elinikä oli suuri ongelma, niin lyhyt, että se voitiin laskea vain kuukausissa.

Nykyään perovskiittisolujen käyttöikä on 25 vuotta tai enemmän. Tällä hetkellä perovskite-aurinkokennojen etuja ovat korkea muunnostehokkuus (yli 25 %), alhaiset tuotantokustannukset ja tuotantoprosessin vaatimat alhaiset lämpötilat.

 

Integroitujen aurinkopaneelien rakentaminen

 

Jotkut aurinkokennot on suunniteltu sieppaamaan vain osa auringon spektristä ja päästämään näkyvää valoa läpi. Näitä läpinäkyviä kennoja kutsutaan väriaineherkistetyiksi aurinkokennoiksi (DSC), ja ne syntyivät Sveitsissä vuonna 1991. Viime vuosien uudet T&K-tulokset ovat parantaneet DSC-kennojen tehokkuutta, ja ei välttämättä kauaa, kun nämä aurinkopaneelit tulevat markkinoille.

 

Jotkut yritykset infusoivat epäorgaanisia nanopartikkeleita lasin polykarbonaattikerroksiin. Tämän tekniikan nanopartikkelit siirtävät spektrin tiettyjä osia lasin reunaan, jolloin suurin osa spektristä pääsee kulkemaan läpi. Lasin reunaan keskittynyt valo valjastetaan sitten aurinkokennoilla. Lisäksi parhaillaan tutkitaan teknologiaa perovskiittiohutkalvomateriaalien levittämiseksi läpinäkyviin aurinkoikkunoihin ja rakennusten ulkoseiniin.

 

Aurinkoenergiaan tarvittavat raaka-aineet

Aurinkosähkön tuotannon lisäämiseksi tärkeiden raaka-aineiden, kuten piin, hopean, kuparin ja alumiinin louhinnan kysyntä kasvaa. Yhdysvaltain energiaministeriön mukaan noin 12 % maailman metallurgisen luokan piistä (MGS) jalostetaan aurinkopaneeleissa käytettäväksi polypiiksi.

 

Kiina on merkittävä toimija tällä alalla, sillä se tuottaa noin 70 % maailman MGS:stä ja 77 % polypiistä vuonna 2020.

 

Piin muuntaminen polypiiksi vaatii erittäin korkeita lämpötiloja. Kiinassa näiden prosessien energia tulee pääasiassa hiilestä. Xinjiangilla on runsaat hiilivarat ja alhaiset sähkökustannukset, ja sen polypiin tuotanto muodostaa 45 prosenttia maailmanlaajuisesta tuotannosta.

 

[12]Aurinkopaneelien tuotanto kuluttaa noin 10 prosenttia maailman hopeasta. Hopealouhintaa tapahtuu pääasiassa Meksikossa, Kiinassa, Perussa, Chilessä, Australiassa, Venäjällä ja Puolassa, ja se voi johtaa ongelmiin, kuten raskasmetallien saastumiseen ja paikallisten yhteisöjen pakkosiirtoihin.

 

Kuparin ja alumiinin louhinta asettaa myös maankäytön haasteita. US Geological Survey huomauttaa, että Chilen osuus maailman kuparin tuotannosta on 27 %, jota seuraavat Peru (10 %), Kiina (8 %) ja Kongon demokraattinen tasavalta (8 %). Kansainvälinen energiajärjestö IEA uskoo, että jos globaali uusiutuvan energian käyttö saavuttaa 100 % vuoteen 2050 mennessä, kuparin kysyntä aurinkoprojekteista lähes kolminkertaistuu.

[13] Päätelmä

 

Tuleeko aurinkoenergiasta jonain päivänä tärkein energianlähde? Aurinkoenergian hinta laskee ja tehokkuus paranee. Tällä välin on monia erilaisia ​​aurinkoteknologian reittejä, joista valita. Milloin tunnistamme yhden tai kaksi teknologiaa ja saamme ne toimimaan? Kuinka integroida aurinkoenergia verkkoon?

 

Aurinkoenergian kehitys erikoisuudesta valtavirtaan korostaa sen mahdollisuuksia täyttää ja ylittää energiatarpeemme. Vaikka kiteiset aurinkokennot hallitsevat tällä hetkellä markkinoita, ohutkalvotekniikan ja uusien teknologioiden, kuten kadmiumtelluridin ja perovskiittien, edistyminen tasoittaa tietä tehokkaammille ja integroidummille aurinkosovelluksille. Aurinkoenergialla on edelleen monia haasteita, kuten raaka-ainelouhinnan ympäristövaikutukset ja tuotannon pullonkaulat, mutta loppujen lopuksi se on nopeasti kasvava, innovatiivinen ja lupaava toimiala.

 

Oikeassa tasapainossa teknologisen kehityksen ja kestävien käytäntöjen välillä aurinkoenergian kasvu ja kehitys tasoittaa tietä puhtaammalle ja runsaammalle energian tulevaisuudelle. Tästä johtuen se tulee osoittamaan merkittävää kasvua Yhdysvaltojen energialähteiden yhdistelmässä ja siitä odotetaan tulevan globaali kestävä ratkaisu.