З развіццём тэхналогій і маштабаваннем прамысловасці кошт вытворчасці фотаэлектрычнай (ФЭ) энергіі працягвае зніжацца, што пазіцыянуе яе як ключавую крыніцу энергіі для ўстойлівага развіцця ў будучыні.
Ключавыя кампаненты фотаэлектрычнай тэхналогіі
Асноўным кампанентам тэхналогіі вытворчасці фотаэлектрычнай энергіі з'яўляюцца сонечныя фотаэлектрычныя элементы. Эвалюцыю сонечных фотаэлектрычных элементаў можна падзяліць на тры пакаленні. Першае пакаленне складаецца з крэмніевых сонечных элементаў; другое пакаленне ўключае тонкаплёнкавыя сонечныя элементы; а трэцяе пакаленне ахоплівае новыя тэхналогіі, такія як высокаканцэнтраваныя фотаэлектрычныя (HCPV), арганічныя сонечныя элементы, гнуткія сонечныя элементы і сонечныя элементы, адчувальныя да фарбавальнікаў. У цяперашні час на рынку дамінуюць крэмніевыя сонечныя элементы, у той час як тонкаплёнкавыя элементы паступова заваёўваюць яго долю. Большасць элементаў трэцяга пакалення, за выключэннем HCPV, усё яшчэ знаходзяцца на стадыі даследаванняў.
Сонечныя элементы на аснове крэмнію
Сярод крэмніевых сонечных элементаў найбольш развітай з'яўляецца тэхналогія монакрышталічнага крэмнію. Эфектыўнасць і кошт гэтых элементаў у першую чаргу залежаць ад вытворчага працэсу, які ўключае такія этапы, як ліццё зліткаў, нарэзка пласцін, дыфузія, тэкстураванне, трафарэтны друк і спяканне. Сонечныя элементы, вырабленыя з дапамогай гэтага традыцыйнага працэсу, звычайна дасягаюць эфектыўнасці фотаэлектрычнага пераўтварэння 16-18%.
Монакрышталічныя крэмніевыя сонечныя элементы маюць найвышэйшую эфектыўнасць пераўтварэння, але таксама з'яўляюцца самымі дарагімі. Полікрышталічныя крэмніевыя сонечныя элементы прапануюць значнае зніжэнне выдаткаў за кошт непасрэднага вырабу вялікапамерных квадратных крэмніевых зліткаў, прыдатных для масавай вытворчасці. Гэты працэс прасцейшы, эканоміць энергію, захоўвае крэмніевы матэрыял і патрабуе меншай якасці матэрыялу.
Зніжэння кошту сонечных элементаў можна дасягнуць з дапамогай двух асноўных стратэгій: скарачэння спажывання матэрыялаў (напрыклад, памяншэння таўшчыні крэмніевых пласцін) і павышэння эфектыўнасці пераўтварэння. Метады павышэння эфектыўнасці ўключаюць павелічэнне паглынання святла (напрыклад, тэкстураванне паверхні, антыблікавае пакрыццё, памяншэнне шырыні пярэдняга электрода), памяншэнне рэкамбінацыі фотагенераваных носьбітаў (напрыклад, пасівацыя эмітэра) і мінімізацыю супраціўлення (напрыклад, лакалізаванае легіраванне, тэхналогія поля задняй паверхні).
Найвышэйшая зарэгістраваная эфектыўнасць пераўтварэння для монакрышталічных крэмніевых сонечных элементаў складае 24,7%, і была дасягнута з дапамогай сонечнага элемента структуры PERL з Універсітэта Новага Паўднёвага Уэльса. Ключавыя тэхналагічныя асаблівасці ўключаюць нізкую канцэнтрацыю легіруючых фосфараў на паверхні крэмнію для памяншэння павярхоўнай рэкамбінацыі, дыфузію з высокай канцэнтрацыяй пад пярэднімі і заднімі паверхнямі электродаў для фарміравання добрых омічных кантактаў і выкарыстанне фоталітаграфіі для звужэння пярэдніх паверхняў электродаў, што павялічвае плошчу паглынання святла. Аднак гэтая тэхналогія яшчэ не прамыслова ўкаранёна.
Іншыя метады павышэння эфектыўнасці ўключаюць тэкстураваныя элементы з павярхоўнымі канаўкамі ад BP Solar і тэхналогію задняга кантакту (EWT). Першая дасягае эфектыўнасці 18,3% дзякуючы лазернаму нанясенню канаўак, што памяншае шырыню пярэдніх электродаў і павялічвае паглынанне святла. Другая дасягае эфектыўнасці 21,3% за кошт перамяшчэння пярэдніх электродаў назад, што павялічвае плошчу паглынання святла.
Тонкаплёнкавыя сонечныя элементы
Нягледзячы на тое, што крышталічныя крэмніевыя сонечныя элементы дамінуюць дзякуючы сваёй высокай эфектыўнасці, значнае зніжэнне іх кошту з'яўляецца складанай задачай з-за высокай цаны на крэмніевы матэрыял. Тонкаплёнкавыя сонечныя элементы, якія выкарыстоўваюць менш матэрыялу, сталі эканамічна эфектыўнай альтэрнатывай. Асноўнымі тыпамі тонкаплёнкавых элементаў з'яўляюцца тонкаплёнкавыя элементы на аснове крэмнію, элементы з тэлурыду кадмію (CdTe) і элементы з селеніду медзі і індыя-галію (CIGS).
Тонкаплёнкавыя элементы на аснове крэмнію маюць таўшчыню ўсяго 2 мікраметры, выкарыстоўваючы каля 1,5% крэмніевага матэрыялу, неабходнага для крышталічных крэмніевых элементаў. У залежнасці ад колькасці PN-пераходаў гэтыя элементы могуць быць адна-, двух- або шматпераходнымі, кожны з якіх здольны паглынаць розныя даўжыні хваль сонечнага святла. Найвышэйшая эфектыўнасць адна-, двух- або двухпераходных элементаў можа дасягаць 10%.
Тонкаплёнкавыя элементы CdTe забяспечваюць больш высокую эфектыўнасць (да 12%) дзякуючы сваім добрым уласцівасцям паглынання святла. Аднак канцэрагенная ўласцівасць кадмію і абмежаваныя прыродныя запасы тэлура ствараюць праблемы доўгатэрміновага развіцця.
Тонкаплёнкавыя элементы CIGS лічацца будучыняй высокаэфектыўнай тэхналогіі тонкіх плёнак. Шляхам карэкціроўкі вытворчага працэсу можна палепшыць паглынанне святла, што прывядзе да больш высокай эфектыўнасці пераўтварэння. У цяперашні час эфектыўнасць лабараторных даследаванняў дасягае 20,1%, у той час як камерцыйныя прадукты дасягаюць 13-14%, што робіць іх найбольш эфектыўнымі сярод тонкаплёнкавых элементаў.
Клеткі трэцяга пакалення
Тэарэтычна, элементы трэцяга пакалення могуць дасягнуць высокай эфектыўнасці пераўтварэння. За выключэннем HCPV, большасць з іх усё яшчэ знаходзяцца на стадыі даследаванняў. Элементы HCPV звычайна выкарыстоўваюць паўправадніковыя матэрыялы III-V групы, якія маюць больш высокую цеплаўстойлівасць і падтрымліваюць высокую эфектыўнасць пераўтварэння пры моцным асвятленні. Шматканальныя структуры дазваляюць гэтым элементам дакладна адпавядаць сонечнаму спектру з тэарэтычнай эфектыўнасцю да 68%. Камерцыйная вытворчасць можа дасягнуць эфектыўнасці вышэй за 40%.
Сонечныя элементы інкапсулююцца ў модулі, і іх прымяненне залежыць ад іх характарыстык і попыту рынку. Раннія сферы прымянення ўключалі базавыя станцыі сувязі і спадарожнікі, пазней яны пашырыліся на жылыя раёны, такія як сонечныя дахі. У гэтых сцэнарыях абмежаваныя плошчы ўстаноўкі і патрэбы ў высокай шчыльнасці энергіі спрыялі крышталічным крэмніевым модулям. З развіццём буйных сонечных электрастанцый і інтэграваных у будынкі фотаэлектрычных элементаў (BIPV) меркаванні кошту прывялі да пашырэння прымянення тонкаплёнкавых элементаў. Экалагічныя і кліматычныя ўмовы таксама ўплываюць на ўкараненне розных тэхналогій.
Прымяненне сонечных фотаэлектрычных тэхналогій
Пераўтварэнне сонечнай радыяцыі ў карысную электрычнасць патрабуе поўнай сонечнай фотаэлектрычнай сістэмы. Сонечныя фотаэлектрычныя элементы складаюць аснову гэтай сістэмы, якая таксама ўключае інвертары, акумулятары, сістэмы маніторынгу і размеркавальныя сістэмы.
Класіфікацыя і склад фотаэлектрычных сістэм
Сонечныя фотаэлектрычныя сістэмы класіфікуюцца як аўтаномныя і падключаныя да сеткі. Аўтаномныя сістэмы могуць быць аўтаномнымі або гібрыднымі.
Аўтаномныя сістэмы звычайна выкарыстоўваюцца ў аддаленых раёнах, у выглядзе базавых станцый сувязі і сонечных вулічных ліхтароў, цалкам абапіраючыся на сонечную энергію. Да іх адносяцца сонечныя модулі, інвертары, кантролеры, акумулятары, размеркавальныя сістэмы і маланкаахова. Батарэі і кантролеры істотна ўплываюць на кошт і тэрмін службы сістэмы. Гібрыдныя сістэмы спалучаюць сонечную энергію з іншымі крыніцамі, такімі як дызельныя генератары або ветраныя турбіны.
Сістэмы, падлучаныя да сеткі, якія звычайна выкарыстоўваюцца для сонечных дахаў і буйных фотаэлектрычных электрастанцый, не патрабуюць абсталявання для захоўвання энергіі, што зніжае выдаткі. Да гэтых сістэм адносяцца сонечныя модулі, інвертары, размеркавальныя сістэмы, маланкаабарона і сістэмы маніторынгу. У цяперашні час сістэмы, падлучаныя да сеткі, складаюць 80% усіх сонечных прымяненняў.
Іншыя тэхналогіі вытворчасці фотаэлектрычнай энергіі
Акрамя тэхналогіі сонечных фотаэлектрычных элементаў, для сістэм вытворчасці фотаэлектрычнай энергіі вырашальнае значэнне маюць інвертарныя тэхналогіі, інтэграцыя з сеткай, назапашванне энергіі і інтэлектуальны маніторынг:
Выхадная магутнасць сонечных элементаў змяняецца ў залежнасці ад інтэнсіўнасці сонечнага выпраменьвання, што прыводзіць да перарывістасці. Маштабная інтэграцыя ў сетку можа паўплываць на яе працу, што робіць неабходным кіраванне сеткай і абарону ад ізаляцыі.
Выхадны сігнал сонечнага модуля — пастаянны ток (DC), які патрабуе высакаякаснага пераўтварэння ў пераменны ток (AC) з дапамогай інвертараў.
На выходную магутнасць модуля могуць уплываць такія фактары, як тэмпература і зацяненне, што патрабуе маніторынгу сістэмы і сістэм сігналізацыі.
Тэхналогія дыстанцыйнага кіравання мае жыццёва важнае значэнне для фотаэлектрычных электрастанцый у аддаленых раёнах.
Кітай з'яўляецца лідарам у вытворчасці сонечных модуляў па якасці і маштабах. Высокапрыбытковымі галінамі ў галіновым ланцужку з'яўляюцца ачыстка крэмнію, інвертары, сістэмы маніторынгу і вытворчасць фотаэлектрычнага абсталявання. Дасягненне прарываў у гэтых ключавых галінах з'яўляецца праблемай для фотаэлектрычнай прамысловасці Кітая.
Сучасны стан і будучыя перспектывы вытворчасці сонечнай фотаэлектрычнай энергіі
З-за высокіх выдаткаў вытворчасць сонечнай фотаэлектрычнай энергіі не атрымала маштабнага развіцця да канца мінулага стагоддзя. Уступаючы ў 21 стагоддзе, з павышэннем эфектыўнасці і хуткім зніжэннем выдаткаў, вытворчасць сонечнай фотаэлектрычнай энергіі хутка расце, прычым усталяваная магутнасць штогод павялічваецца. Сусветная гадавая ўсталяваная магутнасць вырасла з 1,4 ГВт у 2000 годзе да 22,8 ГВт у 2009 годзе. Такія еўрапейскія краіны, як Германія, Італія і Іспанія, з'яўляюцца асноўнымі рынкамі, прычым ЕС плануе павялічыць долю сонечнай энергіі да 12% ад агульнага аб'ёму паставак электраэнергіі да 2020 года. Краіны, якія развіваюцца, такія як Кітай і Індыя, таксама распачалі планы развіцця сонечнай энергіі. Акрамя базавых станцый сувязі, сонечных дахаў і фотаэлектрычных электрастанцый, вытворчасць сонечнай фотаэлектрычнай энергіі зараз шырока выкарыстоўваецца ў розных мабільных прыладах.
Як дадатковая і альтэрнатыўная крыніца энергіі, сонечная энергія хутка развіваецца, пры гэтым выдаткі на яе вытворчасць зніжаюцца. Дзякуючы пастаяннаму тэхналагічнаму прагрэсу сонечная энергія, як чыстая і аднаўляльная крыніца, мае ўсе шанцы стаць ключавой крыніцай энергіі для ўстойлівага развіцця.
