Razvoj solarne fotonaponske tehnologije

S tehnološkim napretkom i skaliranjem industrije, troškovi proizvodnje energije iz fotonaponskih (PV) sistema nastavljaju se smanjivati, pozicionirajući ih kao ključni izvor energije za održivi razvoj u budućnosti.

Ključne komponente fotonaponske tehnologije
Osnovna komponenta tehnologije proizvodnje fotonaponske energije je solarna fotonaponska ćelija. Evolucija solarnih fotonaponskih ćelija može se podijeliti u tri generacije. Prva generacija se sastoji od solarnih ćelija na bazi silicija; druga generacija uključuje tankoslojne solarne ćelije; a treća generacija obuhvata nove tehnologije kao što su visokokoncentrirane fotonaponske (HCPV) ćelije, organske solarne ćelije, fleksibilne solarne ćelije i solarne ćelije osjetljive na boje. Trenutno, solarne ćelije na bazi silicija dominiraju tržištem, dok tankoslojne ćelije postepeno osvajaju tržišni udio. Većina ćelija treće generacije, osim HCPV-a, još uvijek je u fazi istraživanja.

Solarne ćelije na bazi silicija

Među solarnim ćelijama na bazi silicija, tehnologija monokristalnog silicija je najzrelija. Na efikasnost i cijenu ovih ćelija prvenstveno utiče proizvodni proces, koji uključuje korake kao što su livenje ingota, rezanje pločica, difuzija, teksturiranje, sitotisak i sinterovanje. Solarne ćelije proizvedene ovim konvencionalnim postupkom obično postižu efikasnost fotoelektrične konverzije od 16-18%.

Monokristalne silicijumske solarne ćelije imaju najveću efikasnost konverzije, ali su i najskuplje. Polikristalne silicijumske solarne ćelije nude dobro smanjenje troškova direktnom proizvodnjom velikih kvadratnih silicijumskih ingota pogodnih za masovnu proizvodnju. Ovaj proces je jednostavniji, štedi energiju, čuva silicijumski materijal i zahtijeva niži kvalitet materijala.

Smanjenje troškova solarnih ćelija može se postići kroz dvije glavne strategije: smanjenje potrošnje materijala (npr. smanjenje debljine silicijumske pločice) i povećanje efikasnosti konverzije. Metode za povećanje efikasnosti uključuju povećanje apsorpcije svjetlosti (npr. teksturiranje površine, antirefleksni premaz, smanjenje širine prednje elektrode), smanjenje rekombinacije fotogeneriranih nosioca (npr. pasivizacija emitera) i minimiziranje otpora (npr. lokalizirano dopiranje, tehnologija polja zadnje površine).

Najviša zabilježena efikasnost konverzije za monokristalne silicijumske solarne ćelije iznosi 24,7%, a postignuta je solarnom ćelijom PERL strukture sa Univerziteta Novi Južni Vels. Ključne tehnološke karakteristike uključuju nisku koncentraciju dopiranja fosforom na površini silicija radi smanjenja površinske rekombinacije, difuziju visoke koncentracije ispod prednjih i zadnjih površinskih elektroda radi formiranja dobrih omskih kontakata i upotrebu fotolitografije za sužavanje prednjih površinskih elektroda, povećavajući područje apsorpcije svjetlosti. Međutim, ova tehnologija još nije industrijalizirana.

Druge tehnike za poboljšanje efikasnosti uključuju BP Solar-ove ćelije sa teksturiranom površinom i tehnologiju pozadinskog kontakta (EWT). Prva postiže efikasnost od 18,3% laserskim žljebljenjem, što smanjuje širinu prednjih elektroda i povećava apsorpciju svjetlosti. Druga postiže efikasnost od 21,3% pomicanjem prednjih elektroda nazad, povećavajući površinu koja apsorbira svjetlost.

Tankoslojne solarne ćelije

Iako kristalne silicijumske solarne ćelije dominiraju zbog svoje visoke efikasnosti, značajno smanjenje njihovih troškova predstavlja izazov zbog visoke cijene silicijumskog materijala. Tankoslojne solarne ćelije, koje koriste manje materijala, pojavile su se kao isplativa alternativa. Glavne vrste tankoslojnih ćelija uključuju tankoslojne ćelije na bazi silicija, kadmijum teluridne (CdTe) ćelije i bakar-indijum-galijum-selenidne (CIGS) ćelije.

Tankoslojne ćelije na bazi silicija debele su samo 2 mikrometra, koristeći oko 1,5% silicijumskog materijala potrebnog za kristalne silicijumske ćelije. U zavisnosti od broja PN spojeva, ove ćelije mogu biti jednospojne, dvospojne ili višespojne, a svaka je sposobna da apsorbuje različite talasne dužine sunčeve svetlosti. Najveća efikasnost za jednospojne ćelije je oko 7%, dok za dvospojne ćelije može doseći 10%.

Tankoslojne CdTe ćelije nude veću efikasnost (do 12%) zbog dobrih svojstava apsorpcije svjetlosti. Međutim, kancerogena priroda kadmija i ograničene prirodne rezerve telura predstavljaju dugoročne razvojne izazove.

CIGS tankoslojne ćelije smatraju se budućnošću visokoefikasne tehnologije tankih filmova. Prilagođavanjem proizvodnog procesa može se poboljšati njihova apsorpcija svjetlosti, što dovodi do veće efikasnosti konverzije. Trenutno, laboratorijska efikasnost dostiže 20,1%, dok komercijalni proizvodi postižu 13-14%, što ih čini najefikasnijim među tankoslojnim ćelijama.

Ćelije treće generacije

Teoretski, ćelije treće generacije mogu postići visoku efikasnost konverzije. Osim HCPV-a, većina je još uvijek u fazi istraživanja. HCPV ćelije obično koriste III-V poluprovodničke materijale, koji imaju veću otpornost na toplinu i održavaju visoku efikasnost konverzije pod jakim osvjetljenjem. Višespojne strukture omogućavaju ovim ćelijama da se blisko usklade sa solarnim spektrom, s teorijskom efikasnošću do 68%. Komercijalna proizvodnja može postići efikasnost iznad 40%.

Solarne ćelije su inkapsulirane u module, a njihova primjena zavisi od njihovih karakteristika i zahtjeva tržišta. Rane primjene uključivale su komunikacijske bazne stanice i satelite, a kasnije su se proširile na stambena područja poput solarnih krovova. U ovim scenarijima, ograničena područja za instalaciju i potrebe za visokom gustoćom energije favorizirale su kristalne silicijumske module. Razvojem velikih solarnih elektrana i fotonaponskih sistema integriranih u zgrade (BIPV), razmatranja troškova dovela su do povećane primjene tankoslojnih ćelija. Okolinski i klimatski uslovi također utiču na usvajanje različitih tehnologija.

Primjena solarne fotonaponske tehnologije

Pretvaranje solarnog zračenja u upotrebljivu električnu energiju zahtijeva kompletan solarni fotonaponski sistem. Solarne fotonaponske ćelije čine osnovu ovog sistema, koji također uključuje invertere, baterije, sisteme za nadzor i distribucijske sisteme.

Klasifikacija i sastav PV sistema

Solarni fotonaponski sistemi se klasifikuju kao vanmrežni i mrežno vezani. Vanmrežni sistemi mogu biti samostalni ili hibridni.

Samostalni sistemi se obično koriste u udaljenim područjima, komunikacijskim baznim stanicama i solarnim uličnim svjetlima, oslanjajući se u potpunosti na solarnu energiju. Uključuju solarne module, invertere, kontrolere, baterije, distribucijske sisteme i zaštitu od udara groma. Baterije i kontroleri značajno utiču na cijenu i vijek trajanja sistema. Hibridni sistemi kombinuju solarnu energiju s drugim izvorima poput dizel generatora ili vjetroturbina.

Sistemi povezani na mrežu, koji se obično koriste za solarne krovove i velike fotonaponske elektrane, ne zahtijevaju opremu za skladištenje, što smanjuje troškove. Ovi sistemi uključuju solarne module, invertere, distribucijske sisteme, zaštitu od groma i sisteme za nadzor. Trenutno, sistemi povezani na mrežu čine 80% svih solarnih primjena.

Druge tehnologije za proizvodnju fotonaponske energije

Pored tehnologije solarnih PV ćelija, inverterska tehnologija, integracija u mrežu, skladištenje energije i inteligentno praćenje ključni su za sisteme za proizvodnju PV energije:

Izlazna snaga solarnih ćelija varira u zavisnosti od intenziteta sunčevog zračenja, što uzrokuje prekide. Integracija mreže velikih razmjera može uticati na mrežu, što čini kontrolu mreže i zaštitu od izolovanog rada neophodnim.
Izlaz solarnog modula je jednosmjerna struja (DC), što zahtijeva visokokvalitetnu konverziju u naizmjeničnu struju (AC) putem invertera.
Na izlaznu snagu modula mogu utjecati faktori poput temperature i zasjenjenja, što zahtijeva nadzor sistema i alarmne sisteme.
Tehnologija daljinskog upravljanja je ključna za fotonaponske elektrane u udaljenim područjima.
Kina prednjači u proizvodnji solarnih modula u smislu kvalitete i obima. Visokoprofitabilna područja unutar industrijskog lanca uključuju prečišćavanje silicija, invertere, sisteme za praćenje i proizvodnju fotonaponske opreme. Postizanje proboja u ovim ključnim područjima predstavlja izazov za kinesku fotonaponsku industriju.

Trenutno stanje i budući izgledi za proizvodnju solarne fotonaponske energije