O scurtă discuție despre tipurile de celule solare

Energia solară a fost cândva rezervația navelor spațiale avansate și a unor gadget-uri fanteziste, dar nu mai este cazul. În ultimul deceniu, energia solară s-a transformat dintr-o sursă de energie de nișă într-un pilon major al peisajului energetic global.

Pământul este expus în mod continuu la aproximativ 173.000 TW de radiație solară, ceea ce reprezintă de peste zece ori cererea medie globală de energie electrică.

[1] Aceasta înseamnă că energia solară are capacitatea de a satisface toate nevoile noastre energetice.

În prima jumătate a anului 2023, generarea de energie solară a reprezentat 5,77% din totalul producției de energie din SUA, în creștere de la 4,95% în 2022.

[2] Deși combustibilii fosili (în principal gaze naturale și cărbune) vor reprezenta până la 60,4% din producția de energie din SUA în 2022,

[3] Dar influența tot mai mare a energiei solare și dezvoltarea rapidă a tehnologiei energiei solare merită atenție.

 

Tipuri de celule solare

 

În prezent, pe piață există trei categorii majore de celule solare (cunoscute și sub numele de celule fotovoltaice (PV)): cristaline, cu peliculă subțire și tehnologii emergente. Aceste trei tipuri de baterii au propriile avantaje în ceea ce privește eficiența, costul și durata de viață.

 

01 cristal

Majoritatea panourilor solare de pe acoperișul casei sunt fabricate din siliciu monocristalin de înaltă puritate. Acest tip de baterie a atins în ultimii ani o eficiență de peste 26% și o durată de viață de peste 30 de ani.

[4] Eficiența actuală a panourilor solare de uz casnic este de aproximativ 22%.

 

Siliciul policristalin costă mai puțin decât siliciul monocristalin, dar este mai puțin eficient și are o durată de viață mai scurtă. Eficiență mai scăzută înseamnă că sunt necesare mai multe panouri și mai multă suprafață.

 

Celule solare bazate pe tehnologia cu arseniură de galiu (GaAs) cu mai multe joncțiuni sunt mai eficiente decât celulele solare tradiționale. Aceste celule au o structură cu mai multe straturi și fiecare strat utilizează un material diferit, cum ar fi fosfura de indiu galiu (GaInP), arseniura de indiu galiu (InGaAs) și germaniu (Ge), pentru a absorbi diferite lungimi de undă ale luminii solare. Deși se așteaptă ca aceste celule multijoncții să atingă eficiențe ridicate, ele încă suferă de costuri mari de producție și de cercetare și dezvoltare imature, ceea ce limitează fezabilitatea lor comercială și aplicațiile practice.

 

02 film

Principalul curent al produselor fotovoltaice cu peliculă subțire de pe piața globală este modulele fotovoltaice cu telurura de cadmiu (CdTe). Milioane de astfel de module au fost instalate în întreaga lume, cu o capacitate maximă de generare a energiei de peste 30 GW. Ele sunt utilizate în principal pentru generarea de energie la scară de utilitate în Statele Unite. fabrică.

 

În această tehnologie cu peliculă subțire, un modul solar de 1 metru pătrat conține mai puțin cadmiu decât o baterie cu nichel-cadmiu (Ni-Cd) de dimensiunea AAA. În plus, cadmiul din modulele solare este legat de teluriu, care este insolubil în apă și rămâne stabil la temperaturi de până la 1.200°C. Acești factori atenuează pericolele toxice ale utilizării telururii de cadmiu în bateriile cu peliculă subțire.

 

Conținutul de teluriu din scoarța terestră este de numai 0,001 părți per milion. La fel cum platina este un element rar, raritatea telurului poate afecta semnificativ costul unui modul de telurura de cadmiu. Cu toate acestea, este posibil să se atenueze această problemă prin practici de reciclare.

Eficiența modulelor de telură de cadmiu poate ajunge la 18,6%, iar eficiența bateriei într-un mediu de laborator poate depăși 22%. [5] Folosirea dopajului cu arsen pentru a înlocui dopajul cu cupru, care a fost folosit de mult timp, poate îmbunătăți foarte mult durata de viață a modulului și poate atinge un nivel comparabil cu bateriile cu cristal.

 

03Tehnologii emergente

 

Tehnologiile fotovoltaice emergente care utilizează pelicule ultra-subțiri (mai puțin de 1 micron) și tehnici de depunere directă vor reduce costurile de producție și vor oferi semiconductori de înaltă calitate pentru celulele solare. Se așteaptă că aceste tehnologii vor deveni concurenți pentru materiale consacrate precum siliciul, telurura de cadmiu și arseniura de galiu.

 

[6]Există trei tehnologii de film subțire bine-cunoscute în acest domeniu: sulfura de cupru zinc staniu (Cu2ZnSnS4 sau CZTS), fosfură de zinc (Zn3P2) și nanotuburi de carbon cu un singur perete (SWCNT). Într-un cadru de laborator, celulele solare cu seleniură de cupru indiu galiu (CIGS) au atins o eficiență de vârf impresionantă de 22,4%. Cu toate acestea, replicarea unor astfel de niveluri de eficiență la scară comercială rămâne o provocare.

[7] Celulele cu peliculă subțire de perovskit cu halogenură de plumb sunt o tehnologie solară în curs de dezvoltare atractivă. Perovskitul este un tip de substanță cu o structură cristalină tipică cu formula chimică ABX3. Este un mineral galben, maro sau negru a cărui componentă principală este titanatul de calciu (CaTiO3). Celulele solare tandem perovskite pe bază de siliciu la scară comercială produse de compania britanică Oxford PV au atins o eficiență record de 28,6% și vor intra în producție în acest an.

[8]În doar câțiva ani, celulele solare perovskite au atins eficiențe similare cu cele ale celulelor existente cu film subțire de telurura de cadmiu. La începutul cercetării și dezvoltării bateriilor perovskite, durata de viață era o problemă mare, atât de scurtă încât putea fi calculată doar în luni.

Astăzi, celulele perovskite au o durată de viață de 25 de ani sau mai mult. În prezent, avantajele celulelor solare perovskite sunt eficiența ridicată a conversiei (mai mult de 25%), costurile scăzute de producție și temperaturile scăzute necesare procesului de producție.

 

Construire panouri solare integrate

 

Unele celule solare sunt concepute pentru a capta doar o parte din spectrul solar, permițând în același timp trecerea luminii vizibile. Aceste celule transparente se numesc celule solare sensibilizate la colorant (DSC) și s-au născut în Elveția în 1991. Noile rezultate de cercetare și dezvoltare din ultimii ani au îmbunătățit eficiența DSC-urilor și s-ar putea să nu dureze mult până când aceste panouri solare vor fi pe piață.

 

Unele companii infuzează nanoparticule anorganice în straturi de policarbonat de sticlă. Nanoparticulele din această tehnologie deplasează anumite părți ale spectrului către marginea sticlei, permițând trecerea majorității spectrului. Lumina concentrată la marginea sticlei este apoi valorificată de celulele solare. În plus, este în prezent studiată tehnologia de aplicare a materialelor cu peliculă subțire de perovskit pe ferestre solare transparente și pe pereții exteriori ai clădirii.

 

Materii prime necesare pentru energia solară

Pentru a crește generarea de energie solară, cererea de exploatare a materiilor prime importante precum siliciul, argintul, cuprul și aluminiul va crește. Departamentul de Energie al SUA afirmă că aproximativ 12% din siliciul de calitate metalurgică (MGS) din lume este procesat în polisiliciu pentru panouri solare.

 

China este un jucător important în acest domeniu, producând aproximativ 70% din MGS la nivel mondial și 77% din furnizarea de polisiliciu în 2020.

 

Procesul de transformare a siliciului în polisiliciu necesită temperaturi foarte ridicate. În China, energia pentru aceste procese provine în principal din cărbune. Xinjiang are resurse abundente de cărbune și costuri scăzute ale energiei electrice, iar producția sa de polisiliciu reprezintă 45% din producția globală.

 

[12]Producția de panouri solare consumă aproximativ 10% din argintul mondial. Exploatarea argintului are loc în principal în Mexic, China, Peru, Chile, Australia, Rusia și Polonia și poate duce la probleme precum contaminarea cu metale grele și relocarea forțată a comunităților locale.

 

Exploatarea cuprului și a aluminiului reprezintă, de asemenea, provocări pentru utilizarea terenurilor. US Geological Survey notează că Chile reprezintă 27% din producția globală de cupru, urmată de Peru (10%), China (8%) și Republica Democrată Congo (8%). Agenția Internațională pentru Energie (IEA) consideră că dacă consumul global de energie regenerabilă va atinge 100% până în 2050, cererea de cupru din proiectele solare se va tripla aproape.

[13]Concluzie

 

Va deveni într-o zi energia solară principala noastră sursă de energie? Prețul energiei solare scade și eficiența se îmbunătățește. Între timp, există multe rute diferite de tehnologie solară din care să alegeți. Când vom identifica una sau două tehnologii și le vom face să funcționeze efectiv? Cum se integrează energia solară în rețea?

 

Evoluția energiei solare de la specialitate la mainstream evidențiază potențialul său de a satisface și depăși nevoile noastre de energie. În timp ce celulele solare cristaline domină în prezent piața, progresele în tehnologia filmelor subțiri și tehnologiile emergente, cum ar fi telurura de cadmiu și perovskiții, deschid calea pentru aplicații solare mai eficiente și mai integrate. Energia solară se confruntă încă cu multe provocări, cum ar fi impactul asupra mediului al exploatării materiilor prime și blocajele în producție, dar, la urma urmei, este o industrie cu creștere rapidă, inovatoare și promițătoare.

 

Cu echilibrul corect de progrese tehnologice și practici durabile, creșterea și dezvoltarea energiei solare vor deschide calea pentru un viitor energetic mai curat și mai abundent. Din acest motiv, va prezenta o creștere semnificativă a mixului energetic al SUA și se așteaptă să devină o soluție durabilă la nivel global.