Краткое обсуждение типов солнечных элементов

Солнечная энергия когда-то была привилегией передовых космических аппаратов и некоторых модных гаджетов, но теперь это не так. За последнее десятилетие солнечная энергия превратилась из нишевого источника энергии в важнейшую опору мирового энергетического ландшафта.

Земля постоянно подвергается воздействию около 173 000 ТВт солнечной радиации, что более чем в десять раз превышает средний мировой спрос на электроэнергию.

[1] Это означает, что солнечная энергия способна удовлетворить все наши потребности в энергии.

В первой половине 2023 года доля солнечной энергетики в общем объеме производства электроэнергии в США составила 5,77% по сравнению с 4,95% в 2022 году.

[2] Хотя ископаемое топливо (в основном природный газ и уголь) составит до 60,4% выработки электроэнергии в США в 2022 году,

[3] Однако растущее влияние солнечной энергетики и быстрое развитие технологий солнечной энергетики заслуживают внимания.

 

Типы солнечных элементов

 

В настоящее время на рынке представлены три основные категории солнечных элементов (также известных как фотоэлектрические (PV) элементы): кристаллические, тонкопленочные и новые технологии. Эти три типа батарей имеют свои преимущества с точки зрения эффективности, стоимости и срока службы.

 

01 кристалл

Большинство домашних солнечных панелей на крыше изготавливаются из монокристаллического кремния высокой чистоты. Этот тип батарей достиг эффективности более 26% и срока службы более 30 лет в последние годы.

[4] Текущая эффективность бытовых солнечных панелей составляет около 22%.

 

Поликристаллический кремний стоит дешевле монокристаллического кремния, но менее эффективен и имеет более короткий срок службы. Более низкая эффективность означает, что требуется больше панелей и больше площади.

 

Солнечные элементыоснованные на многопереходной технологии арсенида галлия (GaAs) более эффективны, чем традиционные солнечные элементы. Эти элементы имеют многослойную структуру, и каждый слой использует другой материал, такой как фосфид галлия-индия (GaInP), арсенид галлия-индия (InGaAs) и германий (Ge), для поглощения различных длин волн солнечного света. Хотя эти многопереходные элементы, как ожидается, достигнут высокой эффективности, они все еще страдают от высоких производственных затрат и незрелых исследований и разработок, что ограничивает их коммерческую осуществимость и практическое применение.

 

02 фильм

Основным направлением тонкопленочных фотоэлектрических продуктов на мировом рынке являются фотоэлектрические модули на основе теллурида кадмия (CdTe). Миллионы таких модулей установлены по всему миру, а их пиковая мощность генерации составляет более 30 ГВт. Они в основном используются для генерации электроэнергии в масштабах коммунальных предприятий в Соединенных Штатах. завод.

 

В этой тонкопленочной технологии солнечный модуль площадью 1 квадратный метр содержит меньше кадмия, чем никель-кадмиевая (Ni-Cd) батарея размера AAA. Кроме того, кадмий в солнечных модулях связан с теллуром, который нерастворим в воде и остается стабильным при температурах до 1200°C. Эти факторы смягчают токсические опасности использования теллурида кадмия в тонкопленочных батареях.

 

Содержание теллура в земной коре составляет всего 0,001 части на миллион. Так же, как платина является редким элементом, редкость теллура может существенно повлиять на стоимость модуля теллурида кадмия. Однако эту проблему можно решить с помощью практики переработки.

Эффективность модулей на основе теллурида кадмия может достигать 18,6%, а эффективность батареи в лабораторных условиях может превышать 22%. [5] Использование легирования мышьяком вместо легирования медью, которое применялось в течение длительного времени, может значительно увеличить срок службы модуля и достичь уровня, сопоставимого с кристаллическими батареями.

 

03Новые технологии

 

Новые фотоэлектрические технологии, использующие сверхтонкие пленки (менее 1 микрона) и методы прямого осаждения, позволят снизить производственные затраты и обеспечить высококачественные полупроводники для солнечных элементов. Ожидается, что эти технологии станут конкурентами для устоявшихся материалов, таких как кремний, теллурид кадмия и арсенид галлия.

 

[6]В этой области существуют три известные тонкопленочные технологии: сульфид меди, цинка и олова (Cu2ZnSnS4 или CZTS), фосфид цинка (Zn3P2) и однослойные углеродные нанотрубки (SWCNT). В лабораторных условиях солнечные элементы на основе селенида меди, индия и галлия (CIGS) достигли впечатляющей пиковой эффективности в 22,4%. Однако воспроизведение таких уровней эффективности в коммерческих масштабах остается сложной задачей.

[7]Тонкопленочные элементы на основе галогенида свинца и перовскита являются привлекательной новой солнечной технологией. Перовскит — это тип вещества с типичной кристаллической структурой химической формулы ABX3. Это желтый, коричневый или черный минерал, основным компонентом которого является титанат кальция (CaTiO3). Тандемные солнечные элементы на основе кремния и перовскита промышленного масштаба, производимые британской компанией Oxford PV, достигли рекордной эффективности 28,6% и поступят в производство в этом году.

[8]Всего за несколько лет перовскитные солнечные элементы достигли эффективности, схожей с эффективностью существующих тонкопленочных элементов теллурида кадмия. В ранних исследованиях и разработках перовскитных батарей срок службы был большой проблемой, настолько коротким, что его можно было рассчитать только за несколько месяцев.

Сегодня срок службы перовскитных ячеек составляет 25 лет и более. В настоящее время преимуществами перовскитных солнечных ячеек являются высокая эффективность преобразования (более 25%), низкие производственные затраты и низкие температуры, необходимые для производственного процесса.

 

Строительство интегрированных солнечных панелей

 

Некоторые солнечные элементы разработаны для захвата только части солнечного спектра, пропуская видимый свет. Эти прозрачные элементы называются сенсибилизированными красителем солнечными элементами (DSC) и появились в Швейцарии в 1991 году. Новые результаты НИОКР за последние годы повысили эффективность DSC, и, возможно, пройдет немного времени, прежде чем эти солнечные панели появятся на рынке.

 

Некоторые компании вводят неорганические наночастицы в поликарбонатные слои стекла. Наночастицы в этой технологии смещают определенные части спектра к краю стекла, позволяя большей части спектра проходить сквозь него. Свет, сконцентрированный на краю стекла, затем используется солнечными элементами. Кроме того, в настоящее время изучается технология нанесения тонкопленочных материалов перовскита на прозрачные солнечные окна и внешние стены зданий.

 

Сырье, необходимое для солнечной энергетики

Для увеличения производства солнечной энергии увеличится спрос на добычу важных видов сырья, таких как кремний, серебро, медь и алюминий. Министерство энергетики США утверждает, что около 12% мирового металлургического кремния (MGS) перерабатывается в поликремний для солнечных панелей.

 

Китай является крупным игроком в этой области: в 2020 году на его долю пришлось около 70% мирового производства MGS и 77% поставок поликремния.

 

Процесс преобразования кремния в поликремний требует очень высоких температур. В Китае энергия для этих процессов в основном поступает из угля. В Синьцзяне имеются богатые угольные ресурсы и низкие затраты на электроэнергию, а его производство поликремния составляет 45% мирового производства.

 

[12]Производство солнечных панелей потребляет около 10% мирового серебра. Добыча серебра ведется в основном в Мексике, Китае, Перу, Чили, Австралии, России и Польше и может привести к таким проблемам, как загрязнение тяжелыми металлами и вынужденное переселение местных общин.

 

Добыча меди и алюминия также создает проблемы землепользования. Геологическая служба США отмечает, что на Чили приходится 27% мирового производства меди, за ней следуют Перу (10%), Китай (8%) и Демократическая Республика Конго (8%). Международное энергетическое агентство (МЭА) считает, что если глобальное использование возобновляемой энергии достигнет 100% к 2050 году, спрос на медь со стороны солнечных проектов почти утроится.

[13]Заключение

 

Станет ли солнечная энергия когда-нибудь нашим основным источником энергии? Цена солнечной энергии падает, а эффективность повышается. В то же время, есть много различных путей развития солнечных технологий, из которых можно выбирать. Когда мы определим одну или две технологии и заставим их работать на самом деле? Как интегрировать солнечную энергию в сеть?

 

Эволюция солнечной энергетики от специализации к мейнстриму подчеркивает ее потенциал для удовлетворения и превышения наших энергетических потребностей. В то время как кристаллические солнечные элементы в настоящее время доминируют на рынке, достижения в области тонкопленочной технологии и новые технологии, такие как теллурид кадмия и перовскиты, прокладывают путь для более эффективных и интегрированных солнечных приложений. Солнечная энергетика по-прежнему сталкивается со многими проблемами, такими как воздействие на окружающую среду добычи сырья и узкие места в производстве, но в конце концов, это быстрорастущая, инновационная и многообещающая отрасль.

 

При правильном балансе технологических достижений и устойчивых практик рост и развитие солнечной энергетики проложит путь к более чистому, более обильному энергетическому будущему. Благодаря этому она покажет значительный рост в энергетическом балансе США и, как ожидается, станет глобальным устойчивым решением.