Vijesti
Kratka rasprava o vrstama solarnih ćelija
Solarna energija nekoć je bila rezervat naprednih svemirskih letjelica i nekih otmjenih naprava, ali to više nije slučaj. Tijekom proteklog desetljeća solarna se energija transformirala iz nišnog izvora energije u glavni stup globalnog energetskog pejzaža.
Zemlja je kontinuirano izložena približno 173 000 TW sunčevog zračenja, što je više od deset puta više od globalne prosječne potražnje za električnom energijom.
[1] To znači da solarna energija može zadovoljiti sve naše energetske potrebe.
U prvoj polovici 2023. godine proizvodnja solarne energije činila je 5,77% ukupne proizvodnje električne energije u SAD-u, što je porast u odnosu na 4,95% u 2022. godini.
[2] Iako će fosilna goriva (uglavnom prirodni plin i ugljen) činiti čak 60,4% američke proizvodnje električne energije 2022.
[3] Ali sve veći utjecaj solarne energije i brzi razvoj tehnologije solarne energije zaslužuju pozornost.
Trenutačno postoje tri glavne kategorije solarnih ćelija (također poznatih kao fotonaponske (PV) ćelije) na tržištu: kristalne, tankoslojne i tehnologije u nastajanju. Ove tri vrste baterija imaju svoje prednosti u smislu učinkovitosti, cijene i vijeka trajanja.
01 kristal
Većina kućnih krovnih solarnih panela izrađena je od monokristalnog silicija visoke čistoće. Ova vrsta baterija posljednjih je godina postigla učinkovitost veću od 26% i životni vijek veći od 30 godina.
[4] Trenutna učinkovitost solarnih panela u kućanstvima je oko 22%.
Polikristalni silicij košta manje od monokristalnog silicija, ali je manje učinkovit i ima kraći životni vijek. Niža učinkovitost znači da je potrebno više ploča i više površine.
Solarne ćelijetemeljene na tehnologiji s više spojeva galij arsenida (GaAs) učinkovitije su od tradicionalnih solarnih ćelija. Ove ćelije imaju višeslojnu strukturu, a svaki sloj koristi drugačiji materijal, kao što je indij galij fosfid (GaInP), indij galij arsenid (InGaAs) i germanij (Ge), za apsorbiranje različitih valnih duljina sunčeve svjetlosti. Iako se očekuje da će te višespojne ćelije postići visoku učinkovitost, još uvijek pate od visokih troškova proizvodnje i nezrelog istraživanja i razvoja, što ograničava njihovu komercijalnu izvedivost i praktičnu primjenu.
02 film
Glavna struja tankoslojnih fotonaponskih proizvoda na globalnom tržištu su fotonaponski moduli od kadmij telurida (CdTe). Milijuni takvih modula instalirani su diljem svijeta, s vršnim kapacitetom proizvodnje energije većim od 30 GW. Uglavnom se koriste za proizvodnju električne energije u komunalnim razmjerima u Sjedinjenim Državama. tvornica.
U ovoj tehnologiji tankog filma, solarni modul od 1 četvornog metra sadrži manje kadmija od nikal-kadmijeve (Ni-Cd) baterije veličine AAA. Osim toga, kadmij u solarnim modulima vezan je za telur, koji je netopljiv u vodi i ostaje stabilan na temperaturama do 1200°C. Ovi čimbenici umanjuju toksične opasnosti od uporabe kadmij telurida u tankoslojnim baterijama.
Sadržaj telura u zemljinoj kori iznosi samo 0,001 čestica na milijun. Baš kao što je platina rijedak element, rijetkost telura može značajno utjecati na cijenu modula kadmij telurida. Međutim, moguće je ublažiti ovaj problem praksama recikliranja.
Učinkovitost modula kadmij telurida može doseći 18,6%, a učinkovitost baterije u laboratorijskom okruženju može premašiti 22%. [5] Korištenje dopinga arsenom za zamjenu dopinga bakra, koji se koristi već dugo vremena, može uvelike poboljšati vijek trajanja modula i doseći razinu usporedivu s kristalnim baterijama.
03 Tehnologije u nastajanju
Nove fotonaponske tehnologije koje koriste ultratanke filmove (manje od 1 mikrona) i tehnike izravnog taloženja smanjit će troškove proizvodnje i osigurati visokokvalitetne poluvodiče za solarne ćelije. Očekuje se da će ove tehnologije postati konkurenti etabliranim materijalima kao što su silicij, kadmijev telurid i galijev arsenid.
[6] Postoje tri dobro poznate tehnologije tankog filma u ovom području: bakar cink kositar sulfid (Cu2ZnSnS4 ili CZTS), cink fosfid (Zn3P2) i ugljikove nanocijevi s jednom stijenkom (SWCNT). U laboratorijskim uvjetima, solarne ćelije bakar indija galij selenida (CIGS) postigle su impresivnu vršnu učinkovitost od 22,4%. Međutim, repliciranje takvih razina učinkovitosti na komercijalnoj razini ostaje izazov.
[7] Ćelije s tankim filmom olovnog halida perovskita su atraktivna solarna tehnologija u nastajanju. Perovskit je vrsta tvari s tipičnom kristalnom strukturom kemijske formule ABX3. To je žuti, smeđi ili crni mineral čija je glavna komponenta kalcijev titanat (CaTiO3). Komercijalne tandemske solarne ćelije na bazi silicija koje proizvodi britanska tvrtka Oxford PV postigle su rekordnu učinkovitost od 28,6% i krenut će u proizvodnju ove godine.
[8]U samo nekoliko godina perovskitne solarne ćelije postigle su učinkovitost sličnu onima postojećih tankoslojnih ćelija kadmij telurida. U ranim istraživanjima i razvoju perovskitnih baterija životni vijek bio je veliki problem, toliko kratak da se mogao izračunati samo u mjesecima.
Danas perovskitne ćelije imaju radni vijek od 25 godina ili više. Trenutno su prednosti perovskitnih solarnih ćelija visoka učinkovitost pretvorbe (više od 25%), niski troškovi proizvodnje i niske temperature potrebne za proizvodni proces.
Izgradnja integriranih solarnih panela
Neke solarne ćelije dizajnirane su za hvatanje samo dijela sunčevog spektra dok propuštaju vidljivu svjetlost. Ove prozirne ćelije nazivaju se solarne ćelije osjetljive na boju (DSC) i rođene su u Švicarskoj 1991. Novi rezultati istraživanja i razvoja posljednjih godina poboljšali su učinkovitost DSC-a i možda će uskoro ovi solarni paneli biti na tržištu.
Neke tvrtke ubacuju anorganske nanočestice u polikarbonatne slojeve stakla. Nanočestice u ovoj tehnologiji pomiču određene dijelove spektra do ruba stakla, dopuštajući većini spektra da prođe. Svjetlost koncentrirana na rubu stakla zatim se koristi solarnim ćelijama. Osim toga, trenutno se proučava tehnologija za nanošenje perovskitnog tankoslojnog materijala na prozirne solarne prozore i vanjske zidove.
Sirovine potrebne za solarnu energiju
Kako bi se povećala proizvodnja solarne energije, povećat će se potražnja za iskopavanjem važnih sirovina kao što su silicij, srebro, bakar i aluminij. Ministarstvo energetike SAD-a navodi da se otprilike 12% svjetskog metalurškog silicija (MGS) prerađuje u polisilicij za solarne ploče.
Kina je glavni igrač na ovom polju, proizvodeći približno 70% svjetske MGS i 77% svoje ponude polisilicija u 2020.
Proces pretvaranja silicija u polisilicij zahtijeva vrlo visoke temperature. U Kini, energija za ove procese uglavnom dolazi iz ugljena. Xinjiang ima bogate resurse ugljena i niske cijene električne energije, a njegova proizvodnja polisilicija čini 45% globalne proizvodnje.
[12]Proizvodnja solarnih panela troši otprilike 10% svjetskog srebra. Iskopavanje srebra prvenstveno se događa u Meksiku, Kini, Peruu, Čileu, Australiji, Rusiji i Poljskoj i može dovesti do problema kao što su kontaminacija teškim metalima i prisilno preseljenje lokalnih zajednica.
Rudarstvo bakra i aluminija također predstavlja izazove u korištenju zemljišta. Američki geološki institut primjećuje da Čile čini 27% svjetske proizvodnje bakra, a slijede ga Peru (10%), Kina (8%) i Demokratska Republika Kongo (8%). Međunarodna agencija za energiju (IEA) vjeruje da će se potražnja za bakrom iz solarnih projekata gotovo utrostručiti ako globalno korištenje obnovljive energije dosegne 100% do 2050. godine.
[13]Zaključak
Hoće li solarna energija jednog dana postati naš glavni izvor energije? Cijena solarne energije pada, a učinkovitost se poboljšava. U međuvremenu, postoji mnogo različitih ruta solarne tehnologije koje možete izabrati. Kada ćemo identificirati jednu ili dvije tehnologije i učiniti ih učinkovitima? Kako integrirati solarnu energiju u mrežu?
Evolucija solarne energije od specijalnosti do mainstreama naglašava njezin potencijal da zadovolji i nadmaši naše energetske potrebe. Dok kristalne solarne ćelije trenutno dominiraju tržištem, napredak u tehnologiji tankog filma i nove tehnologije kao što su kadmijev telurid i perovskiti utiru put za učinkovitije i integriranije solarne primjene. Solarna energija i dalje se suočava s mnogim izazovima, kao što je utjecaj rudarenja sirovina na okoliš i uska grla u proizvodnji, no na kraju krajeva, to je brzorastuća, inovativna i obećavajuća industrija.
S pravom ravnotežom tehnološkog napretka i održivih praksi, rast i razvoj solarne energije utrt će put čišćoj budućnosti s više energije. Zbog toga će pokazati značajan rast u američkoj energetskoj mješavini i očekuje se da će postati globalno održivo rješenje.