С технологичния напредък и мащабирането на индустрията, цената на производството на фотоволтаична (PV) енергия продължава да намалява, позиционирайки я като ключов енергиен източник за устойчиво развитие в бъдеще.
Ключови компоненти на фотоволтаичната технология
Основният компонент на технологията за производство на фотоволтаична енергия е слънчевата фотоволтаична клетка. Еволюцията на слънчевите фотоволтаични клетки може да бъде категоризирана в три поколения. Първото поколение се състои от силициеви слънчеви клетки; второто поколение включва тънкослойни слънчеви клетки; а третото поколение обхваща нови технологии като висококонцентрирани фотоволтаични (HCPV) клетки, органични слънчеви клетки, гъвкави слънчеви клетки и багрилно-сенсибилизирани слънчеви клетки. В момента силициевите слънчеви клетки доминират на пазара, докато тънкослойните клетки постепенно печелят пазарен дял. Повечето клетки от трето поколение, с изключение на HCPV, все още са във фаза на изследване.
Слънчеви клетки на силициева основа
Сред силициевите слънчеви клетки, технологията с монокристален силиций е най-зрялата. Ефективността и цената на тези клетки се влияят главно от производствения процес, който включва стъпки като леене на блокове, нарязване на пластини, дифузия, текстуриране, ситопечат и синтероване. Слънчевите клетки, произведени чрез този конвенционален процес, обикновено постигат ефективност на фотоелектрическото преобразуване от 16-18%.
Монокристалните силициеви слънчеви клетки имат най-висока ефективност на преобразуване, но са и най-скъпи. Поликристалните силициеви слънчеви клетки предлагат добро намаляване на разходите чрез директно производство на големи квадратни силициеви блокове, подходящи за масово производство. Този процес е по-прост, спестява енергия, запазва силициевия материал и изисква по-ниско качество на материала.
Намаляването на цената на слънчевите клетки може да се постигне чрез две основни стратегии: намаляване на разхода на материали (напр. намаляване на дебелината на силициевите пластини) и повишаване на ефективността на преобразуване. Методите за повишаване на ефективността включват увеличаване на абсорбцията на светлина (напр. текстуриране на повърхността, антиотражателно покритие, намаляване на ширината на предния електрод), намаляване на рекомбинацията на фотогенерирани носители (напр. пасивация на емитера) и минимизиране на съпротивлението (напр. локализирано легиране, технология на задното повърхностно поле).
Най-високата регистрирана ефективност на преобразуване за монокристални силициеви слънчеви клетки е 24,7%, постигната от слънчевата клетка със структура PERL от Университета на Нов Южен Уелс. Ключовите технологични характеристики включват ниска концентрация на фосфорно легиране върху силициевата повърхност за намаляване на повърхностната рекомбинация, дифузия с висока концентрация под предните и задните повърхностни електроди за образуване на добри омически контакти и използване на фотолитография за стесняване на предните повърхностни електроди, увеличавайки площта на поглъщане на светлина. Тази технология обаче все още не е индустриализирана.
Други техники за подобряване на ефективността включват повърхностно набраздени текстурирани клетки и технологията за заден контакт (EWT) на BP Solar. Първата постига ефективност от 18,3% чрез лазерно набраздяване, което намалява ширината на предните електроди и увеличава поглъщането на светлина. Втората постига ефективност от 21,3%, като премества предните електроди назад, увеличавайки площта, поглъщаща светлина.
Тънкослойни слънчеви клетки
Въпреки че кристалните силициеви слънчеви клетки доминират поради високата си ефективност, значителното намаляване на цената им е предизвикателство поради високата цена на силициевия материал. Тънкослойните слънчеви клетки, които използват по-малко материал, се очертават като рентабилна алтернатива. Основните видове тънкослойни клетки включват тънкослойни клетки на силициева основа, кадмиево-телуридни (CdTe) клетки и медно-индиево-галиево-селенидни (CIGS) клетки.
Тънкослойните клетки на силициева основа са с дебелина само 2 микрометра, използвайки около 1,5% от силициевия материал, необходим за кристални силициеви клетки. В зависимост от броя на PN преходите, тези клетки могат да бъдат с единичен, двоен или много преходи, като всяка от тях е способна да абсорбира различна дължина на вълната на слънчевата светлина. Най-високата ефективност за клетките с единичен преход е около 7%, докато за клетките с двоен преход може да достигне 10%.
Тънкослойните CdTe клетки предлагат по-висока ефективност (до 12%) поради добрите си свойства за поглъщане на светлина. Канцерогенният характер на кадмия и ограничените природни запаси от телур обаче представляват предизвикателства за дългосрочното му развитие.
Тънкослойните клетки CIGS се считат за бъдещето на високоефективната технология за тънкослойни продукти. Чрез регулиране на производствения процес може да се подобри тяхното поглъщане на светлина, което води до по-висока ефективност на преобразуване. В момента лабораторната ефективност достига 20,1%, докато търговските продукти постигат 13-14%, което ги прави най-ефективните сред тънкослойните клетки.
Клетки от трето поколение
Теоретично, клетките от трето поколение могат да постигнат висока ефективност на преобразуване. С изключение на HCPV, повечето все още са в етап на изследване. HCPV клетките обикновено използват III-V полупроводникови материали, които имат по-висока устойчивост на топлина и поддържат висока ефективност на преобразуване при силно осветление. Многопреходните структури позволяват на тези клетки да се придържат плътно към слънчевия спектър, с теоретична ефективност до 68%. Търговското производство може да постигне ефективност над 40%.
Слънчевите клетки са капсулирани в модули, а приложенията им зависят от техните характеристики и пазарни изисквания. Ранните приложения включват комуникационни базови станции и сателити, а по-късно се разширяват и в жилищни райони, като например слънчеви покриви. В тези сценарии ограничените монтажни площи и нуждите от висока енергийна плътност благоприятстват кристалните силициеви модули. С развитието на големи слънчеви електроцентрали и фотоволтаици, интегрирани в сгради (BIPV), съображенията, свързани с разходите, доведоха до увеличени приложения на тънкослойни клетки. Условията на околната среда и климатичните условия също влияят върху приемането на различни технологии.
Приложения на слънчевата фотоволтаична технология
Преобразуването на слънчевата радиация в използваема електроенергия изисква цялостна слънчева фотоволтаична система. Слънчевите фотоволтаични клетки формират основата на тази система, която включва също инвертори, батерии, системи за мониторинг и разпределителни системи.
Класификация и състав на фотоволтаичните системи
Слънчевите фотоволтаични системи се класифицират като автономни или свързани към мрежата. Автономните системи могат да бъдат самостоятелни или хибридни.
Самостоятелните системи обикновено се използват в отдалечени райони, комуникационни базови станции и слънчеви улични лампи, разчитайки изцяло на слънчева енергия. Те включват слънчеви модули, инвертори, контролери, батерии, разпределителни системи и мълниезащита. Батериите и контролерите оказват значително влияние върху цената и живота на системата. Хибридните системи комбинират слънчева енергия с други източници, като дизелови генератори или вятърни турбини.
Системите, свързани към мрежата, често използвани за слънчеви покриви и големи фотоволтаични електроцентрали, не изискват оборудване за съхранение, което намалява разходите. Тези системи включват слънчеви модули, инвертори, разпределителни системи, мълниезащита и системи за мониторинг. В момента системите, свързани към мрежата, представляват 80% от всички слънчеви приложения.
Други технологии за производство на фотоволтаична енергия
Освен технологията на слънчевите фотоволтаични клетки, инверторната технология, интеграцията в мрежата, съхранението на енергия и интелигентният мониторинг са от решаващо значение за фотоволтаичните системи за производство на енергия:
Изходната мощност на слънчевите клетки варира в зависимост от интензитета на слънчевата радиация, което води до прекъсвания. Мащабната интеграция в мрежата може да повлияе на нея, което прави контрола на мрежата и защитата от островно функциониране от съществено значение.
Изходът на слънчевия модул е постоянен ток (DC), изискващ висококачествено преобразуване в променлив ток (AC) чрез инвертори.
Изходната мощност на модула може да бъде повлияна от фактори като температура и засенчване, което налага системен мониторинг и алармени системи.
Технологията за дистанционно управление е жизненоважна за фотоволтаичните електроцентрали в отдалечени райони.
Китай е лидер в производството на слънчеви модули по отношение на качество и мащаб. Високопечелившите области в рамките на индустриалната верига включват пречистване на силиций, инвертори, системи за мониторинг и производство на фотоволтаично оборудване. Постигането на пробиви в тези ключови области е предизвикателство за китайската фотоволтаична индустрия.
Настоящо състояние и бъдещи перспективи за производство на слънчева фотоволтаична енергия
Поради високите разходи, производството на слънчева фотоволтаична енергия не е претърпяло мащабно развитие до края на миналия век. С навлизането в 21-ви век, с подобрена ефективност и бързо намаляващи разходи, производството на слънчева фотоволтаична енергия претърпява бърз растеж, като инсталираният капацитет се увеличава ежегодно. Глобалният годишен инсталиран капацитет се е увеличил от 1,4 GW през 2000 г. до 22,8 GW през 2009 г. Европейски страни като Германия, Италия и Испания са основни пазари, като ЕС планира да увеличи дела на слънчевата енергия до 12% от общото производство на електроенергия до 2020 г. Развиващи се страни като Китай и Индия също са стартирали планове за развитие на слънчевата енергия. Освен комуникационни базови станции, слънчеви покриви и фотоволтаични електроцентрали, производството на слънчева фотоволтаична енергия сега се използва широко в различни мобилни устройства.
Като допълнителен и алтернативен източник на енергия, слънчевата фотоволтаична технология се развива бързо, с намаляващи разходи за производство. С непрекъснатия технологичен напредък, слънчевата енергия, като чист и възобновяем ресурс, е готова да се превърне в ключов енергиен източник за устойчиво развитие.
