Rövid beszélgetés a napelemek típusairól

A napenergia egykor a fejlett űrrepülőgépek és néhány divatos kütyü tulajdona volt, de ez már nem így van. Az elmúlt évtizedben a napenergia niche-energiaforrásból a globális energiavilág egyik fő pillérévé vált.

A Földet folyamatosan körülbelül 173 000 TW napsugárzás éri, ami több mint tízszerese a globális átlagos villamosenergia-szükségletnek.

[1] Ez azt jelenti, hogy a napenergia képes minden energiaszükségletünket kielégíteni.

2023 első felében a napenergia-termelés a teljes amerikai energiatermelés 5,77%-át tette ki, szemben a 2022-es 4,95%-kal.

[2] Bár a fosszilis tüzelőanyagok (főleg a földgáz és a szén) 2022-ben az Egyesült Államok energiatermelésének 60,4%-át teszik ki,

[3] De figyelmet érdemel a napenergia növekvő befolyása és a napenergia technológia rohamos fejlődése.

 

A napelemek típusai

 

Jelenleg a napelemek három fő kategóriája (más néven fotovoltaikus (PV) cellák) létezik a piacon: kristályos, vékonyfilmes és feltörekvő technológiák. Ennek a három típusú akkumulátornak megvannak a maga előnyei a hatékonyság, a költségek és az élettartam tekintetében.

 

01 kristály

A legtöbb otthoni tetőtéri napelem nagy tisztaságú monokristályos szilíciumból készül. Az ilyen típusú akkumulátorok az elmúlt években több mint 26%-os hatásfokot és több mint 30 éves élettartamot értek el.

[4] A háztartási napelemek jelenlegi hatásfoka körülbelül 22%.

 

A polikristályos szilícium olcsóbb, mint a monokristályos szilícium, de kevésbé hatékony és rövidebb az élettartama. Az alacsonyabb hatékonyság azt jelenti, hogy több panelre és több területre van szükség.

 

Napelemek a több csomópontos gallium-arzenid (GaAs) technológián alapuló technológián alapuló, hatékonyabb, mint a hagyományos napelemek. Ezek a sejtek többrétegű szerkezettel rendelkeznek, és minden réteg más anyagot használ, például indium-gallium-foszfidot (GaInP), indium-gallium-arzenidet (InGaAs) és germániumot (Ge), hogy elnyelje a különböző hullámhosszú napfényt. Bár ezektől a többcsatlakozású celláktól várhatóan nagy hatékonyságot érnek el, még mindig magas gyártási költségekkel és fejletlen kutatás-fejlesztéssel kell szembenézniük, ami korlátozza kereskedelmi megvalósíthatóságukat és gyakorlati alkalmazásukat.

 

02 film

A vékonyrétegű fotovoltaikus termékek fő áramköre a globális piacon a kadmium-tellurid (CdTe) fotovoltaikus modulok. Több millió ilyen modult telepítettek szerte a világon, amelyek csúcsteljesítménye meghaladja a 30 GW-ot. Főleg közüzemi szintű áramtermelésre használják az Egyesült Államokban. gyár.

 

Ebben a vékonyréteg-technológiában egy 1 négyzetméteres napelem modul kevesebb kadmiumot tartalmaz, mint egy AAA méretű nikkel-kadmium (Ni-Cd) akkumulátor. Ezenkívül a napelem modulokban lévő kadmium tellúrhoz kötődik, amely vízben oldhatatlan, és akár 1200 °C hőmérsékleten is stabil marad. Ezek a tényezők mérséklik a kadmium-tellurid vékonyfilmes akkumulátorokban való használatának mérgező veszélyeit.

 

A földkéreg tellúrtartalma mindössze 0,001 ppm. Csakúgy, mint a platina ritka elem, a tellúr ritkasága jelentősen befolyásolhatja a kadmium-tellurid modul költségét. Ez a probléma azonban újrahasznosítási gyakorlatokkal enyhíthető.

A kadmium-tellurid modulok hatásfoka elérheti a 18,6%-ot, az akkumulátor hatásfoka laboratóriumi környezetben meghaladhatja a 22%-ot. [5] Az arzén-adagolás használata a régóta használt rézadalékolás helyettesítésére nagymértékben megnövelheti a modul élettartamát, és a kristályelemekhez hasonló szintet érhet el.

 

03 Feltörekvő technológiák

 

Az ultravékony (1 mikronnál kisebb) filmeket és közvetlen leválasztási technikákat alkalmazó, feltörekvő fotovoltaikus technológiák csökkentik a gyártási költségeket, és kiváló minőségű félvezetőket biztosítanak a napelemekhez. Ezek a technológiák várhatóan versenytársaivá válnak az olyan ismert anyagokkal szemben, mint a szilícium, a kadmium-tellurid és a gallium-arzenid.

 

[6] Három jól ismert vékonyréteg-technológia létezik ezen a területen: a réz-cink-ón-szulfid (Cu2ZnSnS4 vagy CZTS), a cink-foszfid (Zn3P2) és az egyfalú szén nanocsövek (SWCNT). Laboratóriumi körülmények között a réz-indium-gallium-szelenid (CIGS) napelemek lenyűgöző, 22,4%-os csúcshatékonyságot értek el. Az ilyen hatékonysági szintek kereskedelmi méretű megismétlése azonban továbbra is kihívást jelent.

[7]Az ólom-halogenid-perovszkit vékonyréteg-elemek vonzó napelemes technológia. A perovszkit egyfajta anyag, amelynek tipikus kristályszerkezete az ABX3 kémiai képletnek felel meg. Ez egy sárga, barna vagy fekete ásvány, amelynek fő összetevője a kalcium-titanát (CaTiO3). A brit Oxford PV cég által gyártott kereskedelmi méretű, szilícium alapú perovszkit tandem napelemek 28,6%-os rekordhatékonyságot értek el, és idén kezdik meg a gyártást.

[8]Csak néhány év alatt a perovszkit napelemek a meglévő kadmium-tellurid vékonyrétegű cellákhoz hasonló hatékonyságot értek el. A perovszkit akkumulátorok korai kutatásában és fejlesztésében az élettartam nagy probléma volt, olyan rövid, hogy csak hónapokban lehetett kiszámítani.

Ma a perovszkit cellák élettartama 25 év vagy több. Jelenleg a perovszkit napelemek előnyei a magas konverziós hatékonyság (több mint 25%), az alacsony gyártási költségek és a gyártási folyamathoz szükséges alacsony hőmérséklet.

 

Integrált napelemek építése

 

Egyes napelemeket úgy terveztek, hogy a napspektrumnak csak egy részét rögzítsék, miközben a látható fényt átengedik. Ezeket az átlátszó cellákat festékérzékeny napelemeknek (DSC) nevezik, és 1991-ben születtek Svájcban. Az elmúlt évek új kutatási és fejlesztési eredményei javították a DSC-k hatékonyságát, és nem sok idő telik el, amikor ezek a napelemek megjelennek a piacon.

 

Egyes cégek szervetlen nanorészecskéket fújnak be üveg polikarbonát rétegeibe. Ebben a technológiában a nanorészecskék a spektrum bizonyos részeit az üveg szélére tolják el, lehetővé téve a spektrum nagy részének áthaladását. Az üveg szélére koncentrálódó fényt ezután napelemek hasznosítják. Emellett jelenleg tanulmányozzák a perovszkit vékonyréteg anyagok átlátszó napelemes ablakokra és épületek külső falaira történő felvitelének technológiáját.

 

Napenergiához szükséges alapanyagok

A napenergia-termelés növelése érdekében megnő a kereslet a fontos nyersanyagok, például a szilícium, ezüst, réz és alumínium bányászata iránt. Az Egyesült Államok Energiaügyi Minisztériuma kijelenti, hogy a világ kohászati ​​minőségű szilíciumának (MGS) körülbelül 12%-át dolgozzák fel poliszilíciummá a napelemek számára.

 

Kína jelentős szereplő ezen a területen, 2020-ban a világ MGS-jének körülbelül 70%-át és poliszilícium-ellátásának 77%-át állítja elő.

 

A szilícium poliszilíciummá alakításának folyamata nagyon magas hőmérsékletet igényel. Kínában ezekhez a folyamatokhoz az energia főként szénből származik. Hszincsiang bőséges szénkészlettel és alacsony villamosenergia-költséggel rendelkezik, és poliszilícium-termelése a globális termelés 45%-át teszi ki.

 

[12]A napelemek gyártása a világ ezüstjének körülbelül 10%-át használja fel. Az ezüstbányászat elsősorban Mexikóban, Kínában, Peruban, Chilében, Ausztráliában, Oroszországban és Lengyelországban fordul elő, és olyan problémákhoz vezethet, mint a nehézfém-szennyeződés és a helyi közösségek kényszerű áttelepítése.

 

A réz- és alumíniumbányászat földhasználati kihívásokat is jelent. Az US Geological Survey megjegyzi, hogy Chile adja a globális réztermelés 27%-át, ezt követi Peru (10%), Kína (8%) és a Kongói Demokratikus Köztársaság (8%). A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) úgy véli, hogy ha 2050-re a globális megújulóenergia-felhasználás eléri a 100%-ot, akkor a napenergia-projektekből származó réz iránti kereslet csaknem megháromszorozódik.

[13] Következtetés

 

Vajon egy napon a napenergia lesz a fő energiaforrásunk? A napenergia ára csökken, a hatékonyság pedig javul. Mindeközben számos különféle napelemes technológiai útvonal közül választhat. Mikor fogunk azonosítani egy vagy két technológiát, és ténylegesen működőképessé tenni őket? Hogyan lehet a napenergiát a hálózatba integrálni?

 

A napenergia evolúciója a specialitástól a főárammá, rávilágít arra, hogy képes kielégíteni és meghaladni energiaszükségletünket. Míg jelenleg a kristályos napelemek uralják a piacot, a vékonyréteg-technológia és a feltörekvő technológiák, például a kadmium-tellurid és a perovszkitek fejlődése megnyitja az utat a hatékonyabb és integrált napenergia-alkalmazások előtt. A napenergia továbbra is számos kihívással néz szembe, például a nyersanyagbányászat környezeti hatásaival és a termelés szűk keresztmetszeteivel, de végül is egy gyorsan növekvő, innovatív és ígéretes iparágról van szó.

 

A technológiai fejlesztések és a fenntartható gyakorlatok megfelelő egyensúlyával a napenergia növekedése és fejlődése megnyitja az utat a tisztább, bőségesebb energia jövő felé. Emiatt jelentős növekedést fog mutatni az Egyesült Államok energiaszerkezetében, és várhatóan globális fenntartható megoldássá válik.