Tehnoloogia arengu ja tööstuse laienemisega langevad fotogalvaanilise (PV) energia tootmise kulud jätkuvalt, mis asetab selle tulevikus säästva arengu keskseks energiaallikaks.
Fotogalvaanilise tehnoloogia põhikomponendid
Päikeseenergia tootmise tehnoloogia põhikomponent on päikesepatarei. Päikesepatareide arengut saab jagada kolmeks põlvkonnaks. Esimene põlvkond koosneb ränipõhistest päikesepatareidest; teine põlvkond hõlmab õhukese kilega päikesepatareid; ja kolmas põlvkond hõlmab uusi tehnoloogiaid, nagu kõrge kontsentratsiooniga fotogalvaanilised (HCPV) elemendid, orgaanilised päikesepatareid, painduvad päikesepatareid ja värvainega sensibiliseeritud päikesepatareid. Praegu domineerivad turgu ränipõhised päikesepatareid, samas kui õhukese kilega elemendid on järk-järgult turuosa võitmas. Enamik kolmanda põlvkonna elemente, välja arvatud HCPV, on alles uurimisfaasis.
Ränipõhised päikesepatareid
Ränil põhinevate päikesepatareide seas on monokristallilise räni tehnoloogia kõige küpsem. Nende patareide efektiivsust ja maksumust mõjutab peamiselt tootmisprotsess, mis hõlmab selliseid etappe nagu valuplokkide valamine, vahvlite viilutamine, difusioon, tekstureerimine, siiditrükk ja paagutamine. Selle tavapärase protsessi abil toodetud päikesepatareid saavutavad tavaliselt 16–18% fotoelektrilise muundamise efektiivsuse.
Monokristallilisel ränist päikesepatareidel on kõrgeim muundamise efektiivsus, kuid need on ka kõige kallimad. Polükristallilisel ränist päikesepatareid pakuvad head kulude kokkuhoidu, kuna need toodavad otse masstootmiseks sobivaid suuri ruudukujulisi räni valuplokke. See protsess on lihtsam, säästab energiat, säilitab ränimaterjali ja nõuab madalamat materjali kvaliteeti.
Päikesepatareide maksumust saab vähendada kahe peamise strateegia abil: materjali tarbimise vähendamine (nt räniplaadi paksuse vähendamine) ja muundamise efektiivsuse suurendamine. Efektiivsuse suurendamise meetodite hulka kuuluvad valguse neeldumise suurendamine (nt pinnatekstureerimine, peegeldusvastane kate, esielektroodi laiuse vähendamine), fotogenereeritud laengukandjate rekombinatsiooni vähendamine (nt emitteri passivatsioon) ja takistuse minimeerimine (nt lokaliseeritud dopeerimine, tagapinna väljatehnoloogia).
Monokristallilise räni päikesepatareide kõrgeim registreeritud muundamise efektiivsus on 24,7%, mille saavutas Uus-Lõuna-Walesi ülikooli PERL-struktuuriga päikesepatarei. Peamised tehnoloogilised omadused hõlmavad madalat fosfori lisamise kontsentratsiooni räni pinnal, et vähendada pinna rekombinatsiooni, kõrget kontsentratsiooni difusiooni esi- ja tagapinna elektroodide all, et moodustada head oomilised kontaktid, ning fotolitograafia kasutamist esipinna elektroodide kitsendamiseks, suurendades valguse neeldumisala. See tehnoloogia pole aga veel tööstuslikult kasutusele võetud.
Teiste efektiivsust parandavate meetodite hulka kuuluvad BP Solari pinnaga soonelised tekstuurelemendid ja tagakontakti (EWT) tehnoloogia. Esimene saavutab lasersoonte abil 18,3% efektiivsuse, mis vähendab esielektroodide laiust ja suurendab valguse neeldumist. Viimane saavutab 21,3% efektiivsuse, tuues esielektroodid tahapoole, suurendades valgust neelavat pinda.
Õhukese kilega päikesepatareid
Kuigi kristallilisest ränist päikesepatareid on oma kõrge efektiivsuse tõttu domineerivad, on nende maksumuse märkimisväärne vähendamine ränimaterjali kõrge hinna tõttu keeruline. Kulutõhusa alternatiivina on esile kerkinud õhukese kilega päikesepatareid, mis kasutavad vähem materjali. Peamised õhukese kilega patareide tüübid on ränipõhised õhukese kilega patareid, kaadmiumtelluriidi (CdTe) patareid ja vaskindium-galliumseleniidi (CIGS) patareid.
Ränipõhised õhukese kilega elemendid on vaid 2 mikromeetrit paksused, kasutades umbes 1,5% kristallilise räni elementide jaoks vajalikust ränimaterjalist. Sõltuvalt PN-siirde arvust võivad need elemendid olla ühe-, kahe- või mitmesiirdega, millest igaüks on võimeline neelama erineva pikkusega päikesevalgust. Ühesiirdega elementide kõrgeim efektiivsus on umbes 7%, samas kui kahesiirdega elementide puhul võib see ulatuda 10%-ni.
CdTe õhukese kilega elemendid pakuvad oma hea valguse neeldumisomaduse tõttu suuremat efektiivsust (kuni 12%). Kaadmiumi kantserogeenne olemus ja telluuri piiratud looduslikud varud tekitavad aga pikaajalisi arendusprobleeme.
CIGS-õhukese kile elemente peetakse suure efektiivsusega õhukese kile tehnoloogia tulevikuks. Tootmisprotsessi kohandamise abil saab parandada nende valguse neeldumist, mis omakorda suurendab konversioonitõhusust. Praegu ulatub laboritõhusus 20,1%-ni, samas kui kommertstoodete efektiivsus on 13–14%, mis teeb neist õhukese kile elementidest kõige tõhusamad.
Kolmanda põlvkonna rakud
Teoreetiliselt võivad kolmanda põlvkonna elemendid saavutada kõrge muundamise efektiivsuse. Välja arvatud HCPV, on enamik neist alles uurimisjärgus. HCPV elementides kasutatakse tavaliselt III-V pooljuhtmaterjale, millel on suurem kuumakindlus ja mis säilitavad kõrge muundamise efektiivsuse ka tugeva valgustuse korral. Mitmesiirdega struktuurid võimaldavad neil elementidel päikesespektriga täpselt sobituda, teoreetilise efektiivsusega kuni 68%. Kaubanduslikus tootmises on võimalik saavutada efektiivsus üle 40%.
Päikesepatareid on kapseldatud moodulitesse ja nende rakendused sõltuvad nende omadustest ja turunõudlusest. Varased rakendused hõlmasid side baasjaamu ja satelliite, hiljem laienesid need elamupiirkondadesse, näiteks päikesepaneelide katustele. Nendes stsenaariumides soosisid piiratud paigaldusalad ja suur energiatihedus kristallilise räni mooduleid. Suuremahuliste päikeseelektrijaamade ja hoonetesse integreeritud fotogalvaanika (BIPV) arendamisega on kulukaalutlused viinud õhukese kilega patareide rakenduste sagenemiseni. Keskkonna- ja kliimatingimused mõjutavad samuti erinevate tehnoloogiate kasutuselevõttu.
Päikeseenergia fotogalvaanilise tehnoloogia rakendused
Päikesekiirguse kasutatavaks elektriks muundamine nõuab terviklikku päikesepaneelide süsteemi. Päikesepaneelid moodustavad selle süsteemi aluse ning hõlmavad ka invertereid, akusid, jälgimissüsteeme ja jaotussüsteeme.
PV-süsteemi klassifikatsioon ja koostis
Päikesepaneelide süsteeme liigitatakse kas võrguväliseks või võrku ühendatud süsteemideks. Võrguvälised süsteemid võivad olla eraldiseisvad või hübriidsed.
Eraldiseisvaid süsteeme kasutatakse tavaliselt kaugemates piirkondades, side baasjaamades ja päikeseenergial töötavate tänavavalgustite juures, mis tuginevad täielikult päikeseenergiale. Nende hulka kuuluvad päikesemoodulid, inverterid, kontrollerid, akud, jaotussüsteemid ja piksekaitse. Akud ja kontrollerid mõjutavad oluliselt süsteemi kulusid ja eluiga. Hübriidsüsteemid ühendavad päikeseenergia muude allikatega, näiteks diiselgeneraatorite või tuuleturbiinidega.
Võrguühendusega süsteemid, mida tavaliselt kasutatakse päikesepaneelidega katustel ja suurtes päikeseelektrijaamades, ei vaja salvestusseadmeid, mis vähendab kulusid. Nende süsteemide hulka kuuluvad päikesemoodulid, inverterid, jaotussüsteemid, piksekaitse ja jälgimissüsteemid. Praegu moodustavad võrku ühendatud süsteemid 80% kõigist päikeseenergia rakendustest.
Muud PV-energia tootmise tehnoloogiad
Lisaks päikesepaneelide tehnoloogiale on päikesepaneelide energiatootmissüsteemide jaoks üliolulised invertertehnoloogia, võrku integreerimine, salvestamine ja intelligentne jälgimine:
Päikesepatareide väljundvõimsus varieerub sõltuvalt päikesekiirguse intensiivsusest, põhjustades katkendlikkust. Ulatuslik võrguintegratsioon võib võrku mõjutada, mistõttu on oluline võrgu juhtimine ja saarerežiimi kaitse.
Päikesepaneelide väljund on alalisvool (DC), mis nõuab kvaliteetset muundamist vahelduvvooluks (AC) inverterite abil.
Mooduli väljundvõimsust võivad mõjutada sellised tegurid nagu temperatuur ja varjutus, mistõttu on vaja süsteemi jälgimist ja häiresüsteeme.
Kaugjuhtimistehnoloogia on eluliselt tähtis kaugetes piirkondades asuvate PV-elektrijaamade jaoks.
Hiina on päikesepaneelide tootmises kvaliteedi ja ulatuse poolest esirinnas. Tööstusahela kõrge kasumiga valdkonnad hõlmavad räni puhastamist, invertereid, jälgimissüsteeme ja päikesepaneelide seadmete tootmist. Läbimurde saavutamine nendes võtmevaldkondades on Hiina päikesepaneelide tööstuse jaoks väljakutse.
Päikesepaneelide abil toodetud elektrienergia praegune olukord ja tulevikuväljavaated
Kõrgete kulude tõttu ei toimunud päikesepaneelide abil elektrienergia tootmise ulatuslikku arengut enne eelmise sajandi lõppu. 21. sajandisse sisenedes on paranenud efektiivsuse ja kiiresti langevate kuludega päikesepaneelide abil elektrienergia tootmine kiiresti kasvanud ning paigaldatud võimsus suureneb igal aastal. Globaalne aastane paigaldatud võimsus tõusis 1,4 GW-lt aastal 2000 22,8 GW-ni aastal 2009. Euroopa riigid nagu Saksamaa, Itaalia ja Hispaania on peamised turud ning EL plaanib suurendada päikeseenergia osakaalu 2020. aastaks 12%-ni kogu elektrienergia tarnimisest. Ka arengumaad nagu Hiina ja India on käivitanud päikeseenergia arendusplaanid. Lisaks side baasjaamadele, päikesepaneelidega katustele ja päikesepaneelidega elektrijaamadele kasutatakse päikesepaneelidega elektrienergia tootmist nüüd laialdaselt erinevates mobiilseadmetes.
Täiendava ja alternatiivse energiaallikana areneb päikesepaneelide tehnoloogia kiiresti, mille tootmiskulud vähenevad. Tänu pidevale tehnoloogia arengule on päikeseenergiast kui puhtast ja taastuvast ressursist saamas säästva arengu peamine energiaallikas.
