Güneş hücresi türleri hakkında kısa bir tartışma

Güneş enerjisi bir zamanlar gelişmiş uzay araçlarının ve bazı gösterişli aletlerin tekelindeydi, ancak artık durum böyle değil. Geçtiğimiz on yılda güneş enerjisi, niş bir enerji kaynağından küresel enerji manzarasının önemli bir ayağına dönüştü.

Dünya sürekli olarak yaklaşık 173.000TW güneş radyasyonuna maruz kalmaktadır ki bu, küresel ortalama elektrik talebinin on katından fazladır.

[1] Bu, güneş enerjisinin tüm enerji ihtiyaçlarımızı karşılayabilecek kapasitede olduğu anlamına geliyor.

2023'ün ilk yarısında güneş enerjisi üretimi, ABD'deki toplam elektrik üretiminin %5,77'sini oluştururken, 2022'de bu oran %4,95'ti.

[2] Fosil yakıtlar (çoğunlukla doğal gaz ve kömür) 2022'de ABD'deki elektrik üretiminin %60,4'ünü oluşturacak olsa da,

[3] Ancak güneş enerjisinin artan etkisi ve güneş enerjisi teknolojisinin hızla gelişmesi dikkat çekicidir.

 

Güneş hücresi çeşitleri

 

Şu anda, piyasada üç ana güneş hücresi kategorisi (fotovoltaik (PV) hücreleri olarak da bilinir) bulunmaktadır: kristal, ince film ve yeni teknolojiler. Bu üç pil türünün verimlilik, maliyet ve kullanım ömrü açısından kendi avantajları vardır.

 

01 kristal

Çoğu ev çatı güneş paneli yüksek saflıkta monokristalin silikondan yapılır. Bu tip pil son yıllarda %26'dan fazla bir verimlilik ve 30 yıldan fazla bir hizmet ömrü elde etti.

[4] Ev tipi güneş panellerinin mevcut verimliliği yaklaşık %22'dir.

 

Polikristalin silikon, monokristalin silikondan daha ucuzdur, ancak daha az verimlidir ve daha kısa bir ömre sahiptir. Daha düşük verimlilik, daha fazla panel ve daha fazla alan gerektiği anlamına gelir.

 

Güneş hücreleriçok bağlantılı galyum arsenit (GaAs) teknolojisine dayalıdır ve geleneksel güneş hücrelerinden daha verimlidir. Bu hücreler çok katmanlı bir yapıya sahiptir ve her katman, farklı dalga boylarındaki güneş ışığını emmek için indiyum galyum fosfit (GaInP), indiyum galyum arsenit (InGaAs) ve germanyum (Ge) gibi farklı bir malzeme kullanır. Bu çok bağlantılı hücrelerin yüksek verimlilik elde etmesi beklenmesine rağmen, yine de yüksek üretim maliyetleri ve olgunlaşmamış araştırma ve geliştirmeden muzdariptirler ve bu da ticari uygulanabilirliklerini ve pratik uygulamalarını sınırlar.

 

02 filmi

Küresel pazardaki ince film fotovoltaik ürünlerinin ana akımı kadmiyum tellür (CdTe) fotovoltaik modülleridir. Dünya çapında milyonlarca bu tür modül kurulmuş olup, 30GW'den fazla bir tepe güç üretim kapasitesine sahiptirler. Bunlar esas olarak Amerika Birleşik Devletleri'nde kamu hizmeti ölçeğinde güç üretimi için kullanılır. fabrika.

 

Bu ince film teknolojisinde, 1 metrekarelik bir güneş modülü, AAA boyutundaki bir nikel-kadmiyum (Ni-Cd) pilden daha az kadmiyum içerir. Ayrıca, güneş modüllerindeki kadmiyum, suda çözünmeyen ve 1.200°C'ye kadar yüksek sıcaklıklarda stabil kalan tellüryuma bağlıdır. Bu faktörler, ince film pillerde kadmiyum tellürid kullanımının toksik tehlikelerini azaltır.

 

Dünya kabuğundaki tellür içeriği yalnızca milyonda 0,001 parçadır. Tıpkı platinin nadir bir element olması gibi, tellürünün nadirliği de bir kadmiyum tellür modülünün maliyetini önemli ölçüde etkileyebilir. Ancak, geri dönüşüm uygulamalarıyla bu sorunu hafifletmek mümkündür.

Kadmiyum tellür modüllerinin verimliliği %18,6'ya ulaşabilir ve laboratuvar ortamındaki pil verimliliği %22'yi aşabilir. [5] Uzun süredir kullanılan bakır katkısının yerine arsenik katkısı kullanılması, modül ömrünü büyük ölçüde iyileştirebilir ve kristal pillerle karşılaştırılabilir bir seviyeye ulaşabilir.

 

03Ortaya çıkan teknolojiler

 

Ultra ince filmler (1 mikrondan az) ve doğrudan biriktirme teknikleri kullanan yeni fotovoltaik teknolojiler, üretim maliyetlerini düşürecek ve güneş hücreleri için yüksek kaliteli yarı iletkenler sağlayacaktır. Bu teknolojilerin, silikon, kadmiyum tellür ve galyum arsenit gibi yerleşik malzemelere rakip olması bekleniyor.

 

[6]Bu alanda iyi bilinen üç ince film teknolojisi vardır: bakır çinko kalay sülfür (Cu2ZnSnS4 veya CZTS), çinko fosfür (Zn3P2) ve tek duvarlı karbon nanotüpler (SWCNT). Bir laboratuvar ortamında, bakır indiyum galyum selenid (CIGS) güneş hücreleri %22,4'lük etkileyici bir tepe verimliliğine ulaşmıştır. Ancak, bu verimlilik seviyelerini ticari ölçekte tekrarlamak hala bir zorluktur.

[7]Kurşun halide perovskit ince film hücreleri çekici bir yeni güneş teknolojisidir. Perovskit, kimyasal formülü ABX3 olan tipik bir kristal yapıya sahip bir madde türüdür. Ana bileşeni kalsiyum titanat (CaTiO3) olan sarı, kahverengi veya siyah bir mineraldir. İngiltere şirketi Oxford PV tarafından üretilen ticari ölçekli silikon bazlı perovskit tandem güneş hücreleri %28,6'lık rekor bir verimliliğe ulaşmıştır ve bu yıl üretime geçecektir.

[8]Sadece birkaç yıl içinde, perovskit güneş hücreleri mevcut kadmiyum tellür ince film hücrelerininkine benzer verimliliklere ulaştı. Perovskit pillerin erken araştırma ve geliştirmesinde, ömür büyük bir sorundu, o kadar kısaydı ki sadece aylarla hesaplanabiliyordu.

Günümüzde perovskit hücrelerinin hizmet ömrü 25 yıl veya daha fazladır. Günümüzde perovskit güneş hücrelerinin avantajları yüksek dönüşüm verimliliği (%25'ten fazla), düşük üretim maliyetleri ve üretim süreci için gereken düşük sıcaklıklardır.

 

Entegre güneş panelleri inşa etmek

 

Bazı güneş hücreleri, görünür ışığın geçmesine izin verirken yalnızca güneş spektrumunun bir kısmını yakalamak üzere tasarlanmıştır. Bu şeffaf hücrelere boya duyarlı güneş hücreleri (DSC) denir ve 1991'de İsviçre'de doğmuştur. Son yıllardaki yeni Ar-Ge sonuçları DSC'lerin verimliliğini artırmıştır ve bu güneş panellerinin piyasaya sürülmesi uzun sürmeyebilir.

 

Bazı şirketler inorganik nanopartikülleri camın polikarbonat katmanlarına enjekte eder. Bu teknolojideki nanopartiküller spektrumun belirli kısımlarını camın kenarına kaydırır ve spektrumun çoğunun geçmesine izin verir. Camın kenarında yoğunlaşan ışık daha sonra güneş hücreleri tarafından kullanılır. Ayrıca, perovskit ince film malzemelerini şeffaf güneş pencerelerine ve bina dış duvarlarına uygulama teknolojisi şu anda incelenmektedir.

 

Güneş enerjisi için gerekli hammaddeler

Güneş enerjisi üretimini artırmak için, silikon, gümüş, bakır ve alüminyum gibi önemli ham maddelerin madenciliğine olan talep artacaktır. ABD Enerji Bakanlığı, dünyadaki metalurjik sınıf silikonun (MGS) yaklaşık %12'sinin güneş panelleri için polisilikon haline getirildiğini belirtmektedir.

 

Çin bu alanda önemli bir oyuncu olup, 2020 yılında dünya MGS'sinin yaklaşık %70'ini ve polisilikon arzının %77'sini üretmektedir.

 

Silisyumun polisilikon haline dönüştürülmesi süreci çok yüksek sıcaklıklar gerektirir. Çin'de bu süreçler için enerji çoğunlukla kömürden gelir. Sincan'da bol miktarda kömür kaynağı ve düşük elektrik maliyetleri vardır ve polisilikon üretimi küresel üretimin %45'ini oluşturur.

 

[12]Güneş panellerinin üretimi dünyadaki gümüşün yaklaşık %10'unu tüketiyor. Gümüş madenciliği öncelikle Meksika, Çin, Peru, Şili, Avustralya, Rusya ve Polonya'da gerçekleşiyor ve ağır metal kirliliği ve yerel toplulukların zorla yerlerinden edilmesi gibi sorunlara yol açabiliyor.

 

Bakır ve alüminyum madenciliği de arazi kullanımı zorlukları yaratıyor. ABD Jeoloji Araştırması, Şili'nin küresel bakır üretiminin %27'sini oluşturduğunu, ardından Peru (%10), Çin (%8) ve Demokratik Kongo Cumhuriyeti (%8) geldiğini belirtiyor. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), küresel yenilenebilir enerji kullanımının 2050 yılına kadar %100'e ulaşması durumunda güneş projelerinden gelen bakır talebinin neredeyse üç katına çıkacağına inanıyor.

[13]Sonuç

 

Güneş enerjisi bir gün ana enerji kaynağımız olacak mı? Güneş enerjisinin fiyatı düşüyor ve verimlilik artıyor. Bu arada, seçilebilecek birçok farklı güneş teknolojisi yolu var. Bir veya iki teknolojiyi ne zaman belirleyip gerçekten çalışır hale getireceğiz? Güneş enerjisi şebekeye nasıl entegre edilir?

 

Güneş enerjisinin uzmanlıktan ana akıma evrimi, enerji ihtiyaçlarımızı karşılama ve aşma potansiyelini vurgulamaktadır. Kristalin güneş hücreleri şu anda pazara hakim olsa da, ince film teknolojisindeki ilerlemeler ve kadmiyum tellür ve perovskit gibi yeni teknolojiler daha verimli ve entegre güneş uygulamalarının önünü açmaktadır. Güneş enerjisi hala ham madde madenciliğinin çevresel etkisi ve üretimdeki darboğazlar gibi birçok zorlukla karşı karşıyadır, ancak sonuçta hızla büyüyen, yenilikçi ve gelecek vaat eden bir sektördür.

 

Teknolojik gelişmeler ve sürdürülebilir uygulamaların doğru dengesiyle, güneş enerjisinin büyümesi ve gelişmesi daha temiz, daha bol bir enerji geleceğinin yolunu açacaktır. Bu nedenle, ABD enerji karışımında önemli bir büyüme gösterecek ve küresel sürdürülebilir bir çözüm haline gelmesi bekleniyor.