Համառոտ քննարկում արևային բջիջների տեսակների վերաբերյալ

Արեգակնային էներգիան ժամանակին եղել է առաջադեմ տիեզերանավերի և որոշ շքեղ սարքերի պահուստը, բայց դա այլևս այդպես չէ: Անցած տասնամյակի ընթացքում արևային էներգիան էներգիայի կարևոր աղբյուրից վերածվել է համաշխարհային էներգետիկ լանդշաֆտի հիմնական հենասյունի:

Երկիրը շարունակաբար ենթարկվում է մոտավորապես 173,000 ՏՎտ արեգակնային ճառագայթման, որն ավելի քան տասն անգամ գերազանցում է էլեկտրաէներգիայի համաշխարհային միջին պահանջարկը:

[1] Սա նշանակում է, որ արևային էներգիան կարող է բավարարել մեր բոլոր էներգետիկ կարիքները։

2023 թվականի առաջին կիսամյակում արևային էներգիայի արտադրությունը կազմել է ԱՄՆ ընդհանուր էներգիայի արտադրության 5,77%-ը՝ 2022 թվականի 4,95%-ի դիմաց:

[2] Թեև հանածո վառելիքները (հիմնականում բնական գազը և ածուխը) կկազմեն ԱՄՆ-ի էներգիայի արտադրության 60,4%-ը 2022 թվականին,

[3] Սակայն արևային էներգիայի աճող ազդեցությունը և արևային էներգիայի տեխնոլոգիայի արագ զարգացումը արժանի են ուշադրության:

 

Արեգակնային բջիջների տեսակները

 

Ներկայումս շուկայում կան արևային մարտկոցների երեք հիմնական կատեգորիաներ (հայտնի են նաև որպես ֆոտոգալվանային (PV) բջիջներ)՝ բյուրեղային, բարակ թաղանթով և զարգացող տեխնոլոգիաներ: Այս երեք տեսակի մարտկոցներն ունեն իրենց առավելությունները՝ արդյունավետության, արժեքի և կյանքի տևողության առումով:

 

01 բյուրեղյա

Տան տանիքի արևային վահանակների մեծ մասը պատրաստված է բարձր մաքրության մոնոբյուրեղային սիլիցիումից: Այս տեսակի մարտկոցը վերջին տարիներին ձեռք է բերել ավելի քան 26% արդյունավետություն և ավելի քան 30 տարի ծառայության ժամկետ:

[4] Կենցաղային արևային մարտկոցների ներկայիս արդյունավետությունը կազմում է մոտ 22%:

 

Պոլիկյուրիստական ​​սիլիցիումի արժեքը ավելի քիչ է, քան մոնաբյուրեղային սիլիցիումը, բայց ավելի քիչ արդյունավետ է և ունի ավելի կարճ կյանքի ժամկետ: Ավելի ցածր արդյունավետությունը նշանակում է, որ ավելի շատ վահանակներ և ավելի շատ տարածք են անհրաժեշտ:

 

Արևային բջիջներ Գալիումի արսենիդի (GaAs) տեխնոլոգիայի հիման վրա ավելի արդյունավետ են, քան ավանդական արևային մարտկոցները: Այս բջիջներն ունեն բազմաշերտ կառուցվածք, և յուրաքանչյուր շերտ օգտագործում է տարբեր նյութ, ինչպիսիք են ինդիումի գալիումի ֆոսֆիդը (GaInP), ինդիումի գալիումի արսենիդը (InGaAs) և գերմանիումը (Ge), արևի լույսի տարբեր երկարություններ կլանելու համար: Թեև ակնկալվում է, որ այս բազմակցման բջիջները կհասնեն բարձր արդյունավետության, նրանք դեռ տուժում են արտադրության բարձր ծախսերից և ոչ հասուն հետազոտության և զարգացման պատճառով, ինչը սահմանափակում է դրանց առևտրային իրագործելիությունը և գործնական կիրառությունները:

 

02 ֆիլմ

Համաշխարհային շուկայում բարակ թաղանթով ֆոտոգալվանային արտադրանքի հիմնական հոսքը կադմիումի տելուրիդային (CdTe) ֆոտոգալվանային մոդուլներն են: Միլիոնավոր նման մոդուլներ տեղադրվել են ամբողջ աշխարհում՝ 30 ԳՎտ-ից ավելի էներգիայի արտադրության առավելագույն հզորությամբ: Դրանք հիմնականում օգտագործվում են ԱՄՆ-ում կոմունալ էներգիայի արտադրության համար: գործարան։

 

Այս բարակ թաղանթային տեխնոլոգիայի մեջ 1 քառակուսի մետր մակերեսով արևային մոդուլը պարունակում է ավելի քիչ կադմիում, քան AAA-ի չափի նիկել-կադմիում (Ni-Cd) մարտկոցը: Բացի այդ, արևային մոդուլների կադմիումը կապված է թելուրիումի հետ, որը ջրի մեջ անլուծելի է և կայուն է մնում մինչև 1200°C ջերմաստիճանում: Այս գործոնները մեղմացնում են բարակ թաղանթով մարտկոցներում կադմիումի տելուրիդի օգտագործման թունավոր վտանգները:

 

Երկրակեղևում թելուրի պարունակությունը կազմում է ընդամենը 0,001 մաս/միլիոն: Ճիշտ այնպես, ինչպես պլատինը հազվագյուտ տարր է, թելուրիումի հազվադեպությունը կարող է էապես ազդել կադմիումի տելուրիդի մոդուլի արժեքի վրա: Այնուամենայնիվ, այս խնդիրը հնարավոր է մեղմել վերամշակման պրակտիկայի միջոցով:

Կադմիումի տելուրիդի մոդուլների արդյունավետությունը կարող է հասնել 18,6%-ի, իսկ մարտկոցի արդյունավետությունը լաբորատոր միջավայրում կարող է գերազանցել 22%-ը։ [5] Երկար ժամանակ օգտագործվող պղնձի դոպինգի փոխարինման համար մկնդեղի դոպինգի օգտագործումը կարող է զգալիորեն բարելավել մոդուլի կյանքը և հասնել բյուրեղյա մարտկոցների հետ համեմատելի մակարդակի։

 

03 Զարգացող տեխնոլոգիաներ

 

Նորաձև ֆոտոգալվանային տեխնոլոգիաները, որոնք օգտագործում են գերբարակ թաղանթներ (1 միկրոնից պակաս) և ուղղակի նստեցման տեխնիկա, կնվազեցնեն արտադրության ծախսերը և կապահովեն բարձրորակ կիսահաղորդիչներ արևային մարտկոցների համար: Ակնկալվում է, որ այս տեխնոլոգիաները կդառնան այնպիսի հայտնի նյութերի մրցակիցներ, ինչպիսիք են սիլիցիումը, կադմիումի տելուրիդը և գալիումի արսենիդը:

 

[6] Այս ոլորտում կան երեք հայտնի բարակ թաղանթային տեխնոլոգիաներ՝ պղնձի ցինկ անագ սուլֆիդ (Cu2ZnSnS4 կամ CZTS), ցինկի ֆոսֆիդ (Zn3P2) և մեկ պատի ածխածնային նանոխողովակներ (SWCNT): Լաբորատոր պայմաններում պղնձի ինդիումի գալիում սելենիդի (CIGS) արևային բջիջները հասել են տպավորիչ առավելագույն արդյունավետության՝ 22,4%: Այնուամենայնիվ, նման արդյունավետության մակարդակների կրկնօրինակումը առևտրային մասշտաբով մնում է մարտահրավեր:

[7]Կապար հալոգենիդային պերովսկիտի բարակ թաղանթային բջիջները գրավիչ զարգացող արևային տեխնոլոգիա են: Պերովսկիտը ABX3 քիմիական բանաձևի բնորոշ բյուրեղային կառուցվածքով նյութի տեսակ է: Այն դեղին, շագանակագույն կամ սև հանքանյութ է, որի հիմնական բաղադրիչը կալցիումի տիտանատն է (CaTiO3): Բրիտանական Oxford PV ընկերության կողմից արտադրված առևտրային մասշտաբի սիլիկոնային հիմքով պերովսկիտային տանդեմ արևային բջիջները հասել են ռեկորդային արդյունավետության՝ 28,6% և կսկսվեն արտադրություն այս տարի:

[8] Ընդամենը մի քանի տարվա ընթացքում պերովսկիտային արևային մարտկոցները հասել են այնպիսի արդյունավետության, ինչպիսին գոյություն ունեցող կադմիումի տելուրիդային բարակ թաղանթային բջիջներն են: Պերովսկիտային մարտկոցների վաղ հետազոտության և մշակման ժամանակ կյանքի տևողությունը մեծ խնդիր էր, այնքան կարճ, որ այն կարելի էր հաշվարկել միայն ամիսներով:

Այսօր պերովսկիտային բջիջների ծառայության ժամկետը 25 տարի է կամ ավելի: Ներկայումս պերովսկիտային արևային բջիջների առավելություններն են փոխակերպման բարձր արդյունավետությունը (ավելի քան 25%), արտադրության ցածր ծախսերը և արտադրական գործընթացի համար պահանջվող ցածր ջերմաստիճանները:

 

Ինտեգրված արևային մարտկոցների կառուցում

 

Որոշ արեգակնային բջիջներ նախագծված են գրավելու արեգակնային սպեկտրի միայն մի մասը՝ միաժամանակ թույլ տալով տեսանելի լույսն անցնել միջով: Այս թափանցիկ բջիջները կոչվում են ներկով զգայուն արևային բջիջներ (DSC) և ծնվել են Շվեյցարիայում 1991 թվականին: Վերջին տարիների հետազոտությունների և զարգացման արդյունքները բարելավել են DSC-ների արդյունավետությունը, և կարող է երկար ժամանակ չանցնի, երբ այս արևային վահանակները կհայտնվեն շուկայում:

 

Որոշ ընկերություններ անօրգանական նանոմասնիկներ են ներարկում ապակու պոլիկարբոնատային շերտերում: Այս տեխնոլոգիայի նանոմասնիկները սպեկտրի որոշակի հատվածներ տեղափոխում են ապակու եզրին՝ թույլ տալով, որ սպեկտրի մեծ մասը անցնի միջով: Ապակու եզրին կենտրոնացած լույսն այնուհետև օգտագործվում է արևային մարտկոցներով: Բացի այդ, ներկայումս ուսումնասիրվում է թափանցիկ արևային պատուհանների և շենքի արտաքին պատերի վրա պերովսկիտային բարակ թաղանթային նյութերի կիրառման տեխնոլոգիան:

 

Արեգակնային էներգիայի համար անհրաժեշտ հումք

Արևային էներգիայի արտադրությունը մեծացնելու համար կաճի այնպիսի կարևոր հումքի հանքարդյունաբերության պահանջարկը, ինչպիսիք են սիլիցիումը, արծաթը, պղինձը և ալյումինը: ԱՄՆ էներգետիկայի նախարարությունը նշում է, որ աշխարհի մետալուրգիական կարգի սիլիցիումի (MGS) մոտավորապես 12%-ը վերամշակվում է արևային մարտկոցների համար պոլիսիլիկոնի:

 

Չինաստանը այս ոլորտում խոշոր խաղացող է, որն արտադրում է աշխարհի MGS-ի մոտավորապես 70%-ը և 2020 թվականին իր պոլիսիլիկոնի մատակարարման 77%-ը:

 

Սիլիցիումը պոլիսիլիկոնի վերածելու գործընթացը պահանջում է շատ բարձր ջերմաստիճան: Չինաստանում այդ գործընթացների համար էներգիան հիմնականում ստացվում է ածուխից։ Սինցզյանն ունի ածխի առատ պաշարներ և էլեկտրաէներգիայի ցածր ծախսեր, և նրա պոլիսիլիկոնի արտադրությունը կազմում է համաշխարհային արտադրության 45%-ը:

 

[12]Արևային մարտկոցների արտադրությունը սպառում է աշխարհի արծաթի մոտավորապես 10%-ը։ Արծաթի արդյունահանումը հիմնականում տեղի է ունենում Մեքսիկայում, Չինաստանում, Պերուում, Չիլիում, Ավստրալիայում, Ռուսաստանում և Լեհաստանում և կարող է հանգեցնել այնպիսի խնդիրների, ինչպիսիք են ծանր մետաղներով աղտոտվածությունը և տեղական համայնքների հարկադիր վերաբնակեցումը:

 

Պղնձի և ալյումինի արդյունահանումը նույնպես ներկայացնում է հողօգտագործման մարտահրավերներ: ԱՄՆ Երկրաբանական ծառայությունը նշում է, որ Չիլիին բաժին է ընկնում պղնձի համաշխարհային արտադրության 27%-ը, որին հաջորդում են Պերուն (10%), Չինաստանը (8%) և Կոնգոյի Դեմոկրատական ​​Հանրապետությունը (8%)։ Էներգետիկայի միջազգային գործակալությունը (IEA) կարծում է, որ եթե մինչև 2050 թվականը վերականգնվող էներգիայի համաշխարհային օգտագործումը հասնի 100%-ի, ապա արևային նախագծերից պղնձի պահանջարկը գրեթե եռապատկվելու է։

[13]Եզրակացություն

 

Արդյո՞ք մի օր արևային էներգիան կդառնա մեր հիմնական էներգիայի աղբյուրը: Արևային էներգիայի գինը նվազում է, իսկ արդյունավետությունը՝ բարելավվում։ Միևնույն ժամանակ, կան բազմաթիվ տարբեր արևային տեխնոլոգիաների երթուղիներ, որոնցից կարելի է ընտրել: Ե՞րբ ենք մենք բացահայտելու մեկ կամ երկու տեխնոլոգիա և դրանք իրականում կաշխատեն: Ինչպե՞ս ինտեգրել արևային էներգիան ցանցին:

 

Արևային էներգիայի էվոլյուցիան մասնագիտությունից մինչև հիմնական ընդգծում է մեր էներգետիկ կարիքները բավարարելու և գերազանցելու դրա ներուժը: Թեև բյուրեղային արևային բջիջները ներկայումս գերիշխում են շուկայում, բարակ թաղանթային տեխնոլոգիայի առաջընթացը և զարգացող տեխնոլոգիաները, ինչպիսիք են կադմիումի տելուրիդը և պերովսկիտները, ճանապարհ են հարթում արևային ավելի արդյունավետ և ինտեգրված կիրառությունների համար: Արևային էներգիան դեռևս բախվում է բազմաթիվ մարտահրավերների, ինչպիսիք են հումքի հանքարդյունաբերության շրջակա միջավայրի ազդեցությունը և արտադրության մեջ խոչընդոտները, բայց, ի վերջո, այն արագ զարգացող, նորարար և հեռանկարային արդյունաբերություն է:

 

Տեխնոլոգիական առաջընթացների և կայուն պրակտիկայի ճիշտ հավասարակշռության դեպքում արևային էներգիայի աճն ու զարգացումը ճանապարհ կհարթի դեպի ավելի մաքուր, առատ էներգիայի ապագա: Դրա պատճառով այն զգալի աճ կցուցաբերի ԱՄՆ էներգետիկ խառնուրդում և ակնկալվում է, որ այն կդառնա համաշխարհային կայուն լուծում: