Udvikling af solcelleteknologi

Med teknologiske fremskridt og industriel skalering fortsætter omkostningerne ved solcellebaseret (PV) energiproduktion med at falde, hvilket positionerer den som en central energikilde for bæredygtig udvikling i fremtiden.

Nøglekomponenter i fotovoltaisk teknologi
Kernekomponenten i PV-kraftproduktionsteknologi er solceller. Udviklingen af ​​solceller kan opdeles i tre generationer. Den første generation består af siliciumbaserede solceller; den anden generation omfatter tyndfilmssolceller; og den tredje generation omfatter nye teknologier såsom højkoncentrerede solceller (HCPV), organiske solceller, fleksible solceller og farvestoffølsomme solceller. I øjeblikket dominerer siliciumbaserede solceller markedet, mens tyndfilmsceller gradvist vinder markedsandele. De fleste tredjegenerationsceller, bortset fra HCPV, er stadig i forskningsfasen.

Siliciumbaserede solceller

Blandt siliciumbaserede solceller er monokrystallinsk siliciumteknologi den mest modne. Effektiviteten og omkostningerne ved disse celler påvirkes primært af fremstillingsprocessen, som omfatter trin som støbning af barrer, waferskæring, diffusion, teksturering, serigrafi og sintring. Solceller produceret gennem denne konventionelle proces opnår typisk en fotoelektrisk konverteringseffektivitet på 16-18%.

Monokrystallinske siliciumsolceller har den højeste konverteringseffektivitet, men er også de dyreste. Polykrystallinske siliciumsolceller tilbyder en god omkostningsreduktion ved direkte at fremstille store, firkantede siliciumbarrer, der er egnede til masseproduktion. Denne proces er enklere, sparer strøm, bevarer siliciummaterialet og kræver lavere materialekvalitet.

Reduktion af omkostningerne ved solceller kan opnås gennem to hovedstrategier: reduktion af materialeforbruget (f.eks. reduktion af siliciumwafertykkelsen) og øgning af konverteringseffektiviteten. Metoder til at forbedre effektiviteten omfatter øget lysabsorption (f.eks. overfladeteksturering, antireflekterende belægning, reduktion af frontelektrodebredden), reduktion af rekombination af fotogenererede bærere (f.eks. emitterpassivering) og minimering af modstand (f.eks. lokaliseret doping, back-surface field-teknologi).

Den højeste registrerede konverteringseffektivitet for monokrystallinske siliciumsolceller er 24,7%, opnået af PERL-struktursolcellen fra University of New South Wales. Vigtige teknologiske funktioner inkluderer lav fosfordopingkoncentration på siliciumoverfladen for at reducere overfladerekombination, højkoncentreret diffusion under for- og bagoverfladeelektroder for at danne gode ohmske kontakter og brugen af ​​fotolitografi til at indsnævre foroverfladeelektroderne, hvilket øger lysabsorptionsområdet. Denne teknologi er dog endnu ikke industrialiseret.

Andre teknikker til at forbedre effektiviteten omfatter BP Solars overfladerillede, teksturerede celler og back-contact (EWT) teknologi. Førstnævnte opnår en effektivitet på 18,3% gennem laserrillning, hvilket reducerer bredden af ​​de forreste elektroder og øger lysabsorptionen. Sidstnævnte opnår en effektivitet på 21,3% ved at bringe de forreste elektroder bagud, hvilket øger det lysabsorberende område.

Tyndfilmssolceller

Mens krystallinske siliciumsolceller dominerer på grund af deres høje effektivitet, er det udfordrende at reducere deres omkostninger betydeligt på grund af den høje pris på siliciummateriale. Tyndfilmssolceller, som bruger mindre materiale, er dukket op som et omkostningseffektivt alternativ. De vigtigste typer af tyndfilmsceller omfatter siliciumbaserede tyndfilmsceller, cadmiumtellurid (CdTe)-celler og kobberindiumgalliumselenid (CIGS)-celler.

Siliciumbaserede tyndfilmsceller er kun 2 mikrometer tykke og bruger omkring 1,5% af det siliciummateriale, der kræves til krystallinske siliciumceller. Afhængigt af antallet af PN-forbindelser kan disse celler være single-junction, double junction eller multi-junction, der hver især er i stand til at absorbere forskellige bølgelængder af sollys. Den højeste effektivitet for single-junction celler er omkring 7%, mens double junction celler kan nå op på 10%.

CdTe-tyndfilmsceller tilbyder højere effektivitet (op til 12%) på grund af deres gode lysabsorptionsegenskaber. Cadmiums kræftfremkaldende natur og de begrænsede naturreserver af tellur udgør dog langsigtede udviklingsudfordringer.

CIGS-tyndfilmsceller betragtes som fremtiden inden for højeffektiv tyndfilmsteknologi. Ved at justere fremstillingsprocessen kan deres lysabsorption forbedres, hvilket fører til højere konverteringseffektivitet. I øjeblikket når laboratorieeffektiviteten op på 20,1%, mens kommercielle produkter opnår 13-14%, hvilket gør dem til de mest effektive blandt tyndfilmsceller.

Tredje generations celler

Teoretisk set kan tredjegenerationsceller opnå høj konverteringseffektivitet. Bortset fra HCPV er de fleste stadig på forskningsstadiet. HCPV-celler bruger typisk III-V halvledermaterialer, som har højere varmebestandighed og opretholder høj konverteringseffektivitet under høj belysning. Multi-junction-strukturer gør det muligt for disse celler at matche solspektret nøje med teoretiske effektiviteter på op til 68%. Kommerciel produktion kan opnå effektiviteter på over 40%.

Solceller er indkapslet i moduler, og deres anvendelser afhænger af deres egenskaber og markedskrav. Tidlige anvendelser omfattede kommunikationsbasestationer og satellitter, og senere blev de udvidet til boligområder som soltage. I disse scenarier favoriserede begrænsede installationsområder og behov for høj energitæthed moduler af krystallinsk silicium. Med udviklingen af ​​store solkraftværker og bygningsintegrerede solceller (BIPV) har omkostningsovervejelser ført til øgede anvendelser af tyndfilmsceller. Miljømæssige og klimatiske forhold påvirker også anvendelsen af ​​forskellige teknologier.

Anvendelser af solcelleteknologi

At omdanne solstråling til brugbar elektricitet kræver et komplet solcelleanlæg. Solceller danner fundamentet for dette system, som også omfatter invertere, batterier, overvågningssystemer og distributionssystemer.

Klassificering og sammensætning af PV-systemer

Solcelleanlæg klassificeres som enten off-grid eller nettilsluttede. Off-grid systemer kan være enkeltstående eller hybride.

Standalone-systemer bruges typisk i fjerntliggende områder, kommunikationsbasestationer og solcelledrevne gadelygter, og er udelukkende afhængige af solenergi. De omfatter solcellemoduler, invertere, controllere, batterier, distributionssystemer og lynbeskyttelse. Batterier og controllere påvirker systemets omkostninger og levetid betydeligt. Hybridsystemer kombinerer solenergi med andre kilder som dieselgeneratorer eller vindmøller.

Netforbundne systemer, der almindeligvis anvendes til soltage og store solcelleanlæg, kræver ikke lagringsudstyr, hvilket reducerer omkostningerne. Disse systemer omfatter solcellemoduler, invertere, distributionssystemer, lynbeskyttelse og overvågningssystemer. I øjeblikket tegner netforbundne systemer sig for 80 % af alle solcelleanvendelser.

Andre PV-kraftproduktionsteknologier

Udover solcelleteknologi er inverterteknologi, netintegration, lagring og intelligent overvågning afgørende for PV-kraftproduktionssystemer:

Solcellernes udgangseffekt varierer med solstrålingens intensitet, hvilket forårsager intermitterende spændinger. Storskala netintegration kan påvirke nettet, hvilket gør netstyring og ø-koblingsbeskyttelse afgørende.
Solcellemodulets udgang er jævnstrøm (DC), hvilket kræver konvertering af høj kvalitet til vekselstrøm (AC) via invertere.
Modulets effekt kan påvirkes af faktorer som temperatur og skygge, hvilket nødvendiggør systemovervågning og alarmsystemer.
Fjernstyringsteknologi er afgørende for PV-kraftværker i fjerntliggende områder.
Kina er førende inden for produktion af solcellemoduler med hensyn til kvalitet og skala. Områder med høj profit inden for industrikæden omfatter siliciumrensning, invertere, overvågningssystemer og fremstilling af PV-udstyr. At opnå gennembrud på disse nøgleområder er en udfordring for Kinas PV-industri.

Nuværende status og fremtidsudsigter for solcelleproduktion