بحث مختصری در مورد انواع سلول های خورشیدی

انرژی خورشیدی زمانی محفوظ فضاپیماهای پیشرفته و برخی ابزارهای فانتزی بود، اما دیگر اینطور نیست. در طول دهه گذشته، انرژی خورشیدی از یک منبع انرژی خاص به یک ستون اصلی چشم انداز انرژی جهانی تبدیل شده است.

زمین به طور مداوم در معرض تقریباً 173000 TW تابش خورشیدی است که بیش از ده برابر متوسط ​​تقاضای جهانی برق است.

[1] این بدان معناست که انرژی خورشیدی این توانایی را دارد که تمام نیازهای انرژی ما را برآورده کند.

در نیمه اول سال 2023، تولید برق خورشیدی 5.77 درصد از کل تولید برق ایالات متحده را به خود اختصاص داده است که از 4.95 درصد در سال 2022 افزایش یافته است.

[2] اگرچه سوخت های فسیلی (عمدتاً گاز طبیعی و زغال سنگ) 60.4 درصد از تولید برق ایالات متحده در سال 2022 را تشکیل خواهند داد.

[3] اما نفوذ فزاینده انرژی خورشیدی و توسعه سریع فناوری انرژی خورشیدی شایسته توجه است.

 

انواع سلول های خورشیدی

 

در حال حاضر، سه دسته اصلی از سلول های خورشیدی (همچنین به عنوان سلول های فتوولتائیک (PV) شناخته می شوند) در بازار وجود دارد: فناوری های کریستالی، لایه نازک و فناوری های نوظهور. این سه نوع باتری از نظر کارایی، هزینه و طول عمر مزایای خاص خود را دارند.

 

01 کریستال

اکثر پانل های خورشیدی پشت بام خانه از سیلیکون تک کریستالی با خلوص بالا ساخته شده اند. این نوع باتری در سال های اخیر به بازدهی بیش از 26 درصد و عمر مفید بیش از 30 سال دست یافته است.

[4] راندمان فعلی پانل های خورشیدی خانگی حدود 22٪ است.

 

سیلیکون پلی کریستالی هزینه کمتری نسبت به سیلیکون تک کریستالی دارد، اما کارایی کمتری دارد و طول عمر کمتری دارد. راندمان کمتر به این معنی است که پانل های بیشتر و مساحت بیشتری مورد نیاز است.

 

سلول های خورشیدیمبتنی بر فناوری آرسنید گالیوم چند اتصالی (GaAs) نسبت به سلول‌های خورشیدی سنتی کارآمدتر هستند. این سلول ها ساختاری چند لایه دارند و هر لایه از مواد متفاوتی مانند گالیوم فسفید ایندیم (GaInP)، ایندیم گالیوم آرسنید (InGaAs) و ژرمانیوم (Ge) برای جذب طول موج های مختلف نور خورشید استفاده می کند. اگرچه انتظار می‌رود این سلول‌های چند اتصالی به راندمان بالایی دست یابند، اما همچنان از هزینه‌های تولید بالا و تحقیق و توسعه نابالغ رنج می‌برند که امکان‌سنجی تجاری و کاربردهای عملی آنها را محدود می‌کند.

 

فیلم 02

جریان اصلی محصولات فتوولتائیک لایه نازک در بازار جهانی، ماژول های فتوولتائیک تلورید کادمیوم (CdTe) است. میلیون‌ها ماژول از این دست در سرتاسر جهان نصب شده‌اند که حداکثر ظرفیت تولید برق آنها بیش از 30 گیگاوات است. آنها عمدتاً برای تولید برق در مقیاس شهری در ایالات متحده استفاده می شوند. کارخانه

 

در این فناوری لایه نازک، یک ماژول خورشیدی 1 متر مربعی حاوی کادمیوم کمتری نسبت به باتری نیکل کادمیوم (Ni-Cd) با اندازه AAA است. علاوه بر این، کادمیوم در ماژول های خورشیدی به تلوریوم متصل است که در آب نامحلول است و در دمای بالای 1200 درجه سانتی گراد پایدار می ماند. این عوامل خطرات سمی استفاده از تلورید کادمیوم در باتری های لایه نازک را کاهش می دهد.

 

محتوای تلوریم در پوسته زمین تنها 0.001 قسمت در میلیون است. درست مانند پلاتین که عنصر کمیاب است، کمیاب بودن تلوریم می تواند به طور قابل توجهی بر هزینه یک ماژول تلورید کادمیوم تأثیر بگذارد. با این حال، می توان از طریق روش های بازیافت این مشکل را کاهش داد.

راندمان ماژول های تلورید کادمیوم می تواند به 18.6٪ برسد و بازده باتری در یک محیط آزمایشگاهی می تواند از 22٪ فراتر رود. [5] استفاده از دوپینگ آرسنیک برای جایگزینی دوپینگ مس، که برای مدت طولانی مورد استفاده قرار گرفته است، می تواند عمر ماژول را تا حد زیادی بهبود بخشد و به سطح قابل مقایسه با باتری های کریستالی برسد.

 

03 فناوری های نوظهور

 

فناوری های نوظهور فتوولتائیک با استفاده از لایه های فوق نازک (کمتر از 1 میکرون) و تکنیک های رسوب مستقیم، هزینه های تولید را کاهش می دهد و نیمه هادی های با کیفیت بالا برای سلول های خورشیدی فراهم می کند. انتظار می‌رود این فناوری‌ها به رقیبی برای مواد موجود مانند سیلیکون، تلورید کادمیوم و آرسنید گالیم تبدیل شوند.

 

[6] سه فناوری فیلم نازک شناخته شده در این زمینه وجود دارد: سولفید قلع روی مس (Cu2ZnSnS4 یا CZTS)، فسفید روی (Zn3P2) و نانولوله های کربنی تک جداره (SWCNT). در یک محیط آزمایشگاهی، سلول های خورشیدی مس ایندیم گالیوم سلنید (CIGS) به اوج بازدهی چشمگیر 22.4 درصد رسیده است. با این حال، تکرار چنین سطوح کارایی در مقیاس تجاری یک چالش باقی مانده است.

[7] سلول های لایه نازک پروسکایت هالید سرب یک فناوری خورشیدی در حال ظهور جذاب هستند. پروسکایت نوعی ماده با ساختار کریستالی معمولی با فرمول شیمیایی ABX3 است. این ماده معدنی زرد، قهوه ای یا سیاه است که جزء اصلی آن تیتانات کلسیم (CaTiO3) است. سلول های خورشیدی پشت سر هم مبتنی بر سیلیکون پروسکایت در مقیاس تجاری تولید شده توسط شرکت بریتانیایی Oxford PV به رکورد بازده 28.6 درصدی دست یافته اند و در سال جاری تولید خواهند شد.

[8] تنها در چند سال، سلول‌های خورشیدی پروسکایت به کارایی مشابه سلول‌های لایه نازک تلورید کادمیوم دست یافته‌اند. در تحقیقات اولیه و توسعه باتری‌های پروسکایت، طول عمر یک مسئله بزرگ بود، آنقدر کوتاه که فقط می‌توان آن را در چند ماه محاسبه کرد.

امروزه عمر سلول های پروسکایت 25 سال یا بیشتر است. در حال حاضر از مزایای سلول های خورشیدی پروسکایت می توان به راندمان تبدیل بالا (بیش از 25 درصد)، هزینه تولید پایین و دمای پایین مورد نیاز برای فرآیند تولید اشاره کرد.

 

ساخت پنل های خورشیدی یکپارچه

 

برخی از سلول‌های خورشیدی به گونه‌ای طراحی شده‌اند که تنها بخشی از طیف خورشیدی را جذب می‌کنند و در عین حال اجازه عبور نور مرئی را می‌دهند. این سلول‌های شفاف سلول‌های خورشیدی حساس به رنگ (DSC) نامیده می‌شوند و در سال 1991 در سوئیس متولد شدند. نتایج تحقیق و توسعه جدید در سال‌های اخیر کارایی DSC‌ها را بهبود بخشیده است و ممکن است زمان زیادی از عرضه این پنل‌های خورشیدی به بازار نگذرد.

 

برخی از شرکت ها نانوذرات معدنی را به لایه های پلی کربنات شیشه تزریق می کنند. نانوذرات در این فناوری بخش‌های خاصی از طیف را به لبه شیشه منتقل می‌کنند و به بیشتر طیف اجازه عبور می‌دهند. سپس نور متمرکز شده در لبه شیشه توسط سلول های خورشیدی مهار می شود. علاوه بر این، فناوری استفاده از مواد لایه نازک پروسکایت در پنجره های خورشیدی شفاف و دیوارهای بیرونی ساختمان در حال حاضر در حال مطالعه است.

 

مواد اولیه مورد نیاز انرژی خورشیدی

برای افزایش تولید انرژی خورشیدی، تقاضا برای استخراج مواد اولیه مهم مانند سیلیکون، نقره، مس و آلومینیوم افزایش خواهد یافت. وزارت انرژی ایالات متحده بیان می کند که تقریباً 12 درصد سیلیکون درجه متالورژی (MGS) جهان به پلی سیلیکون برای پانل های خورشیدی پردازش می شود.

 

چین بازیگر اصلی در این زمینه است و تقریباً 70 درصد از MGS جهان و 77 درصد از عرضه پلی سیلیکون خود را در سال 2020 تولید می کند.

 

فرآیند تبدیل سیلیکون به پلی سیلیکون به دمای بسیار بالایی نیاز دارد. در چین، انرژی برای این فرآیندها عمدتا از زغال سنگ تامین می شود. سین کیانگ دارای منابع فراوان زغال سنگ و هزینه برق پایین است و تولید پلی سیلیکون آن 45 درصد از تولید جهانی را تشکیل می دهد.

 

[12]تولید پنل های خورشیدی تقریباً 10 درصد از نقره جهان را مصرف می کند. استخراج نقره عمدتاً در مکزیک، چین، پرو، شیلی، استرالیا، روسیه و لهستان اتفاق می افتد و می تواند منجر به مشکلاتی مانند آلودگی فلزات سنگین و جابجایی اجباری جوامع محلی شود.

 

استخراج مس و آلومینیوم نیز چالش هایی را برای کاربری زمین ایجاد می کند. سازمان زمین شناسی ایالات متحده خاطرنشان می کند که شیلی 27 درصد از تولید جهانی مس را تشکیل می دهد و پس از آن پرو (10 درصد)، چین (8 درصد) و جمهوری دموکراتیک کنگو (8 درصد) قرار دارند. آژانس بین‌المللی انرژی (IEA) بر این باور است که اگر مصرف انرژی‌های تجدیدپذیر جهانی تا سال 2050 به 100 درصد برسد، تقاضا برای مس از پروژه‌های خورشیدی تقریباً سه برابر خواهد شد.

[13] نتیجه گیری

 

آیا انرژی خورشیدی روزی منبع اصلی انرژی ما خواهد شد؟ قیمت انرژی خورشیدی در حال کاهش است و بهره وری در حال بهبود است. در این میان، بسیاری از مسیرهای فناوری خورشیدی مختلف برای انتخاب وجود دارد. چه زمانی یک یا دو فناوری را شناسایی می کنیم و آنها را عملی می کنیم؟ چگونه انرژی خورشیدی را در شبکه ادغام کنیم؟

 

تکامل انرژی خورشیدی از تخصصی به جریان اصلی، پتانسیل آن را برای برآوردن و فراتر از نیازهای انرژی ما برجسته می کند. در حالی که سلول های خورشیدی کریستالی در حال حاضر بر بازار تسلط دارند، پیشرفت در فناوری لایه نازک و فناوری های نوظهور مانند تلورید کادمیوم و پروسکایت ها راه را برای کاربردهای خورشیدی کارآمدتر و یکپارچه تر هموار می کند. انرژی خورشیدی هنوز با چالش‌های زیادی مانند تأثیرات زیست‌محیطی استخراج مواد خام و تنگناها در تولید مواجه است، اما به هر حال، این صنعت به سرعت در حال رشد، نوآورانه و امیدوارکننده است.

 

با توازن مناسب پیشرفت‌های تکنولوژیکی و شیوه‌های پایدار، رشد و توسعه انرژی خورشیدی راه را برای آینده انرژی پاک‌تر و فراوان‌تر هموار می‌کند. به همین دلیل، رشد قابل توجهی در ترکیب انرژی ایالات متحده نشان خواهد داد و انتظار می رود که به یک راه حل پایدار جهانی تبدیل شود.