Una breve discussione nantu à i tipi di cellule solari

L'energia solare era una volta a riserva di navi spaziali avanzate è di alcuni gadgets fantastichi, ma ùn hè più u casu. In l'ultima dècada, l'energia solare hè stata trasfurmata da una fonte d'energia di niche à un pilastru maiò di u paisaghju energeticu globale.

A Terra hè continuamente esposta à circa 173 000 TW di radiazione solare, chì hè più di dece volte a dumanda di energia elettrica media globale.

[1] Questu significa chì l'energia solare hà a capacità di risponde à tutti i nostri bisogni energetichi.

In a prima mità di u 2023, a generazione di energia solare rapprisenta u 5,77% di a generazione di energia tutale di i Stati Uniti, da u 4,95% in u 2022.

[2] Ancu se i combustibili fossili (principalmente u gasu naturale è u carbone) cuntaranu finu à u 60,4% di a generazione di energia di i Stati Uniti in 2022,

[3] Ma l'influenza crescente di l'energia solare è u rapidu sviluppu di a tecnulugia di l'energia solare meritanu attenzione.

 

Tipi di cellule solari

 

Attualmente, ci sò trè categurie maiò di cellule solari (cunnisciutu ancu cum'è cellule fotovoltaiche (PV)) nantu à u mercatu: tecnulugie cristalline, sottili è emergenti. Sti trè tippi di batterie anu i so vantaghji in termini di efficienza, costu è durata di vita.

 

01 cristallu

A maiò parte di i pannelli solari di u tettu di casa sò fatti di silicu monocristalinu d'alta purezza. Stu tipu di bateria hà ottinutu una efficienza di più di 26% è una vita di serviziu di più di 30 anni in l'ultimi anni.

[4] L'efficienza attuale di i pannelli solari domestici hè di circa 22%.

 

U siliciu policristalinu costa menu di u siliciu monocristalinu, ma hè menu efficiente è hà una vita più corta. Una efficienza più bassa significa più pannelli è più area sò necessarii.

 

Cellule solaribasatu annantu à a tecnulugia di l'arsenidu di gallium multi-junction (GaAs) sò più efficaci di e cellule solari tradiziunali. Queste cellule anu una struttura multi-layer, è ogni capa usa un materiale diversu, cum'è indium gallium phosphide (GaInP), indiu gallium arsenide (InGaAs) è germanium (Ge), per assorbe diverse lunghezze d'onda di u sole. Ancu s'è queste cellule multijunction sò previste per ottene una alta efficienza, anu sempre soffrenu di alti costi di fabricazione è di ricerca è sviluppu immaturi, chì limitanu a so fattibilità cummerciale è l'applicazioni pratiche.

 

02 film

U principale di i prudutti fotovoltaici di film sottile in u mercatu glubale sò moduli fotovoltaici di tellururi di cadmiu (CdTe). Millioni di tali moduli sò stati installati in u mondu, cù una capacità di generazione di energia massima di più di 30GW. Sò usati principarmenti per a generazione di energia à scala di utilità in i Stati Uniti. fabbrica.

 

In questa tecnulugia di film sottile, un modulu solare di 1 metru quadru cuntene menu cadmiu cà una bateria di nichel-cadmiu (Ni-Cd) di dimensione AAA. Inoltre, u cadmiu in i moduli solari hè ligatu à u telluriu, chì hè insolubile in l'acqua è ferma stabile à a temperatura di 1200 ° C. Questi fattori attenuanu i periculi tossichi di l'usu di tellurur di cadmiu in batterie di film sottile.

 

U cuntenutu di telluriu in a crosta di a terra hè solu 0,001 parte per milione. Cum'è u platinu hè un elementu raru, a rarità di telluriu pò influenzà significativamente u costu di un modulu di telluride di cadmiu. Tuttavia, hè pussibule di alleviate stu prublema per mezu di pratiche di riciclamentu.

L'efficienza di i moduli di telluride di cadmiu pò ghjunghje à 18,6%, è l'efficienza di a bateria in un ambiente di laboratoriu pò esse più di 22%. [5] Utilizà u doping d'arsenicu per rimpiazzà u doping di cobre, chì hè statu usatu per un bellu pezzu, pò migliurà assai a vita di u modulu è ghjunghje à un livellu paragunabili à e batterie di cristallo.

 

03 Tecnulugie emergenti

 

Tecnulugie fotovoltaiche emergenti chì utilizanu film ultra-sottili (menu di 1 micron) è tecniche di deposizione diretta riduceranu i costi di produzzione è furniscenu semiconduttori di alta qualità per e cellule solari. Queste tecnulugii sò previste per diventà cuncurrenti à i materiali stabiliti cum'è u siliciu, u tellurur di cadmiu è l'arsenidu di gallu.

 

[6] Ci sò trè tecnulugii di film sottili ben cunnisciuti in questu campu: sulfuru di zincu di rame (Cu2ZnSnS4 o CZTS), fosfuru di zincu (Zn3P2) è nanotubi di carbone à parete unica (SWCNT). In un ambiente di laboratoriu, i celi solari di cobre indiu gallu selenide (CIGS) anu righjuntu una efficienza massima impressiunanti di 22,4%. Tuttavia, riplicà tali livelli di efficienza à una scala cummerciale resta una sfida.

[7]Le cellule di film sottile perovskite di alogenuro di piombo sò una tecnulugia solare emergente attraente. Perovskite hè un tipu di sustanza cù una struttura cristallina tipica di a formula chimica ABX3. Hè un minerale giallu, marrone o neru chì u cumpunente principale hè u titanate di calcium (CaTiO3). Cellule solari tandem perovskite basate in siliciu à scala cummerciale prodotte da a cumpagnia britannica Oxford PV anu ottenutu una efficienza record di 28,6% è entreranu in pruduzzione quist'annu.

[8] In pochi anni, e cellule solari di perovskite anu ottinutu efficienze simili à quelli di e cellule di film sottile di tellurur di cadmiu esistenti. In a prima ricerca è u sviluppu di batterie perovskite, a vita di vita era un prublema maiò, cusì corta chì puderia esse calculata solu in mesi.

Oghje, e cellule perovskite anu una vita di serviziu di 25 anni o più. Attualmente, i vantaghji di e cellule solari perovskite sò una alta efficienza di cunversione (più di 25%), bassi costi di produzzione è bassa temperature necessarie per u prucessu di produzzione.

 

Custruì pannelli solari integrati

 

Alcune cellule solari sò pensati per catturà solu una parte di u spettru solare mentre permettenu di passà a luce visibile. Sti celluli trasparenti sò chjamati Dye-sensitized solar cells (DSC) è sò nati in Svizzera in u 1991. I novi risultati di R&D in l'ultimi anni anu migliuratu l'efficienza di i DSC, è ùn pò esse assai prima chì questi pannelli solari saranu in u mercatu.

 

Certi cumpagnii infundenu nanoparticule inorganiche in strati di policarbonate di vetru. I nanoparticuli in questa tecnulugia cambianu parti specifiche di u spettru à u bordu di u vetru, chì permettenu a maiò parte di u spettru per passà. A luce cuncentrata à u bordu di u vetru hè allora sfruttata da e cellule solari. Inoltre, a tecnulugia per l'applicazione di materiali di film sottile perovskite à i finestri solari trasparenti è a custruzzione di pareti esterni hè attualmente studiata.

 

Materia prima necessaria per l'energia solare

Per aumentà a generazione di energia solare, a dumanda di minera di materie prime impurtanti cum'è siliciu, argentu, ramu è aluminiu cresce. U Dipartimentu di l'Energia di i Stati Uniti dice chì circa u 12% di u silicuu di qualità metallurgica (MGS) di u mondu hè trasfurmatu in polisilicu per pannelli solari.

 

Cina hè un attore maiò in questu campu, pruducia circa 70% di u MGS di u mondu è u 77% di a so supply polysilicon in 2020.

 

U prucessu di cunvertisce silicium in polysilicon richiede temperature assai elevate. In Cina, l'energia per questi prucessi vene principalmente da u carbone. Xinjiang hà risorsi di carbone abbundanti è bassi costi di l'electricità, è a so pruduzzione di polisilicuu cuntene 45% di a produzzione glubale.

 

[12] A pruduzzione di pannelli solari cunsuma circa 10% di l'argentu di u mondu. A minera d'argentu si trova principarmenti in Messico, Cina, Perù, Cile, Australia, Russia è Pulonia è pò purtà à prublemi cum'è a contaminazione di metalli pesanti è u trasferimentu forzatu di e cumunità lucali.

 

A minera di ramu è d'aluminiu pone ancu sfide d'usu di a terra. U US Geological Survey nota chì u Cile conta per u 27% di a produzzione mundiale di rame, seguita da u Perù (10%), a Cina (8%) è a Republica Democràtica di u Congo (8%). L'Agenzia Internaziunale di l'Energia (IEA) crede chì se l'usu glubale di l'energia rinnuvevule righjunghji u 100% da u 2050, a dumanda di rame da i prughjetti solari quasi triplicarà.

[13] Conclusioni

 

L'energia solare diventerà un ghjornu a nostra fonte d'energia principale? U prezzu di l'energia solare hè in cala è l'efficienza hè megliu. Intantu, ci sò parechje rotte di tecnulugia solare diverse per sceglie. Quandu avemu da identificà una o duie tecnulugii è facenu veramente travaglià? Cumu integrà l'energia solare in a reta?

 

L'evoluzione di l'energia solare da a specialità à u mainstream mette in risaltu u so potenziale per risponde è superà i nostri bisogni energetichi. Mentre chì e cellule solari cristalline dominanu attualmente u mercatu, l'avanzati in a tecnulugia di film sottile è e tecnulugii emergenti, cum'è u telluride di cadmiu è i perovskiti, alluntananu a strada per applicazioni solari più efficaci è integrati. L'energia solare face sempre parechje sfide, cum'è l'impattu ambientale di a minera di materia prima è i colli di bottiglia in a pruduzzione, ma dopu tuttu, hè una industria in crescita rapida, innovativa è promettente.

 

Cù u dirittu equilibriu di l'avanzamenti tecnologichi è di e pratiche sustinibili, a crescita è u sviluppu di l'energia solare aprirà a strada per un futuru energeticu più pulitu è ​​abbundante. Per via di questu, mostrarà una crescita significativa in u mischju energeticu di i Stati Uniti è hè previstu di diventà una soluzione sustenibile globale.