Krótkie omówienie typów ogniw słonecznych
Energia słoneczna była kiedyś domeną zaawansowanych statków kosmicznych i niektórych fantazyjnych gadżetów, ale już tak nie jest. W ciągu ostatniej dekady energia słoneczna przekształciła się z niszowego źródła energii w główny filar globalnego krajobrazu energetycznego.
Ziemia jest stale wystawiona na działanie promieniowania słonecznego o mocy około 173 000 TW, co stanowi ponad dziesięciokrotność średniego światowego zapotrzebowania na energię elektryczną.
[1] Oznacza to, że energia słoneczna jest w stanie zaspokoić wszystkie nasze potrzeby energetyczne.
W pierwszej połowie 2023 roku energia słoneczna stanowiła 5,77% całkowitej produkcji energii w USA, podczas gdy w 2022 roku odsetek ten wynosił 4,95%.
[2] Chociaż w 2022 r. paliwa kopalne (głównie gaz ziemny i węgiel) będą stanowić aż 60,4% produkcji energii w USA,
[3] Jednak rosnący wpływ energii słonecznej i szybki rozwój technologii energii słonecznej zasługują na uwagę.
Obecnie na rynku dostępne są trzy główne kategorie ogniw słonecznych (znanych również jako ogniwa fotowoltaiczne (PV)): krystaliczne, cienkowarstwowe i technologie wschodzące. Te trzy typy baterii mają swoje zalety pod względem wydajności, kosztów i żywotności.
01 kryształ
Większość domowych paneli słonecznych na dachach jest wykonana z monokrystalicznego krzemu o wysokiej czystości. Ten typ baterii osiągnął wydajność ponad 26% i żywotność ponad 30 lat w ostatnich latach.
[4] Obecna sprawność domowych paneli słonecznych wynosi około 22%.
Polikrystaliczny krzem kosztuje mniej niż monokrystaliczny, ale jest mniej wydajny i ma krótszą żywotność. Niższa wydajność oznacza, że potrzeba więcej paneli i więcej powierzchni.
Ogniwa słoneczneoparte na technologii wielozłączowego arsenku galu (GaAs) są bardziej wydajne niż tradycyjne ogniwa słoneczne. Ogniwa te mają strukturę wielowarstwową, a każda warstwa wykorzystuje inny materiał, taki jak fosforek indu galu (GaInP), arsenek indu galu (InGaAs) i german (Ge), aby absorbować różne długości fal światła słonecznego. Chociaż oczekuje się, że te wielozłączowe ogniwa osiągną wysoką wydajność, nadal cierpią z powodu wysokich kosztów produkcji i niedojrzałych badań i rozwoju, co ogranicza ich wykonalność komercyjną i praktyczne zastosowania.
02 filmu
Głównym nurtem produktów fotowoltaicznych cienkowarstwowych na rynku globalnym są moduły fotowoltaiczne z tellurku kadmu (CdTe). Na całym świecie zainstalowano miliony takich modułów o szczytowej mocy wytwórczej ponad 30 GW. Są one głównie wykorzystywane do wytwarzania energii na skalę przemysłową w Stanach Zjednoczonych. fabryka.
W tej technologii cienkowarstwowej moduł solarny o powierzchni 1 metra kwadratowego zawiera mniej kadmu niż bateria niklowo-kadmowa (Ni-Cd) wielkości AAA. Ponadto kadm w modułach solarnych wiąże się z tellurem, który jest nierozpuszczalny w wodzie i pozostaje stabilny w temperaturach do 1200°C. Czynniki te łagodzą toksyczne zagrożenia wynikające ze stosowania tellurku kadmu w bateriach cienkowarstwowych.
Zawartość telluru w skorupie ziemskiej wynosi zaledwie 0,001 części na milion. Podobnie jak platyna jest rzadkim pierwiastkiem, rzadkość telluru może znacząco wpłynąć na koszt modułu tellurku kadmu. Jednak możliwe jest złagodzenie tego problemu poprzez praktyki recyklingu.
Sprawność modułów z tellurku kadmu może osiągnąć 18,6%, a sprawność baterii w warunkach laboratoryjnych może przekroczyć 22%. [5] Wykorzystanie domieszki arsenu w celu zastąpienia domieszki miedzi, która jest stosowana od dawna, może znacznie wydłużyć żywotność modułu i osiągnąć poziom porównywalny z bateriami krystalicznymi.
03Nowe technologie
Nowe technologie fotowoltaiczne wykorzystujące ultracienkie warstwy (mniej niż 1 mikron) i techniki bezpośredniego osadzania obniżą koszty produkcji i dostarczą wysokiej jakości półprzewodniki do ogniw słonecznych. Oczekuje się, że technologie te staną się konkurentami dla uznanych materiałów, takich jak krzem, tellurek kadmu i arsenek galu.
[6]Istnieją trzy dobrze znane technologie cienkowarstwowe w tej dziedzinie: siarczek miedziowo-cynkowo-cynkowy (Cu2ZnSnS4 lub CZTS), fosforek cynku (Zn3P2) i jednościenne nanorurki węglowe (SWCNT). W warunkach laboratoryjnych ogniwa słoneczne z selenku miedziowo-indowo-galowego (CIGS) osiągnęły imponującą maksymalną wydajność 22,4%. Jednak powielenie takich poziomów wydajności na skalę komercyjną pozostaje wyzwaniem.
[7]Ogniwa cienkowarstwowe z perowskitu halogenkowego ołowiu to atrakcyjna, rozwijająca się technologia słoneczna. Perowskit to rodzaj substancji o typowej strukturze krystalicznej o wzorze chemicznym ABX3. Jest to żółty, brązowy lub czarny minerał, którego głównym składnikiem jest tytanian wapnia (CaTiO3). Komercyjne ogniwa słoneczne tandemowe z perowskitu na bazie krzemu produkowane przez brytyjską firmę Oxford PV osiągnęły rekordową wydajność 28,6% i wejdą do produkcji w tym roku.
[8]W ciągu zaledwie kilku lat ogniwa słoneczne z perowskitu osiągnęły wydajność podobną do wydajności istniejących cienkowarstwowych ogniw z tellurku kadmu. Na wczesnych etapach badań i rozwoju baterii perowskitowych żywotność była dużym problemem, tak krótkim, że można ją było obliczyć jedynie w miesiącach.
Obecnie ogniwa perowskitowe mają żywotność 25 lat lub więcej. Obecnie zaletami ogniw słonecznych perowskitowych są wysoka wydajność konwersji (ponad 25%), niskie koszty produkcji i niskie temperatury wymagane w procesie produkcyjnym.
Budowa zintegrowanych paneli słonecznych
Niektóre ogniwa słoneczne są zaprojektowane tak, aby wychwytywać tylko część widma słonecznego, jednocześnie przepuszczając światło widzialne. Te przezroczyste ogniwa nazywane są barwnikowymi ogniwami słonecznymi (DSC) i powstały w Szwajcarii w 1991 r. Nowe wyniki prac badawczo-rozwojowych w ostatnich latach poprawiły wydajność DSC i może minąć niewiele czasu, zanim te panele słoneczne pojawią się na rynku.
Niektóre firmy wtłaczają nieorganiczne nanocząsteczki do poliwęglanowych warstw szkła. Nanocząsteczki w tej technologii przesuwają określone części widma na krawędź szkła, umożliwiając przejście większości widma. Światło skoncentrowane na krawędzi szkła jest następnie wykorzystywane przez ogniwa słoneczne. Ponadto obecnie badana jest technologia stosowania perowskitowych materiałów cienkowarstwowych do przezroczystych okien słonecznych i zewnętrznych ścian budynków.
Surowce potrzebne do produkcji energii słonecznej
Aby zwiększyć wytwarzanie energii słonecznej, wzrośnie zapotrzebowanie na wydobycie ważnych surowców, takich jak krzem, srebro, miedź i aluminium. Departament Energii USA stwierdza, że około 12% światowego krzemu klasy metalurgicznej (MGS) jest przetwarzane na polikrzem do paneli słonecznych.
Chiny są znaczącym graczem na tym polu, odpowiadając w 2020 r. za około 70% światowego zapotrzebowania na MGS i 77% światowego zapotrzebowania na polikrzem.
Proces przekształcania krzemu w polikrzem wymaga bardzo wysokich temperatur. W Chinach energia do tych procesów pochodzi głównie z węgla. Xinjiang ma obfite zasoby węgla i niskie koszty energii elektrycznej, a jego produkcja polikrzemu stanowi 45% światowej produkcji.
[12]Produkcja paneli słonecznych pochłania około 10% światowego srebra. Wydobycie srebra odbywa się głównie w Meksyku, Chinach, Peru, Chile, Australii, Rosji i Polsce i może prowadzić do problemów, takich jak zanieczyszczenie metalami ciężkimi i przymusowa relokacja lokalnych społeczności.
Wydobycie miedzi i aluminium również stwarza wyzwania w zakresie użytkowania gruntów. US Geological Survey zauważa, że Chile odpowiada za 27% światowej produkcji miedzi, a następnie Peru (10%), Chiny (8%) i Demokratyczna Republika Konga (8%). Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA) uważa, że jeśli globalne wykorzystanie energii odnawialnej osiągnie 100% do 2050 r., popyt na miedź z projektów solarnych wzrośnie prawie trzykrotnie.
[13]Wniosek
Czy energia słoneczna pewnego dnia stanie się naszym głównym źródłem energii? Cena energii słonecznej spada, a wydajność się poprawia. W międzyczasie istnieje wiele różnych dróg technologii słonecznej do wyboru. Kiedy zidentyfikujemy jedną lub dwie technologie i sprawimy, że faktycznie zadziałają? Jak zintegrować energię słoneczną z siecią?
Ewolucja energii słonecznej od specjalistycznej do powszechnej podkreśla jej potencjał w zakresie zaspokajania i przekraczania naszych potrzeb energetycznych. Podczas gdy obecnie na rynku dominują ogniwa słoneczne krystaliczne, postęp w technologii cienkowarstwowej i nowe technologie, takie jak tellurek kadmu i perowskity, torują drogę do bardziej wydajnych i zintegrowanych zastosowań słonecznych. Energia słoneczna nadal stoi przed wieloma wyzwaniami, takimi jak wpływ wydobycia surowców na środowisko i wąskie gardła w produkcji, ale ostatecznie jest to szybko rozwijająca się, innowacyjna i obiecująca branża.
Przy odpowiednim zrównoważeniu postępu technologicznego i zrównoważonych praktyk wzrost i rozwój energii słonecznej utorują drogę do czystszej, bardziej obfitej przyszłości energetycznej. Z tego powodu wykaże ona znaczny wzrost w miksie energetycznym USA i oczekuje się, że stanie się globalnym zrównoważonym rozwiązaniem.