S tehnološkim napretkom i skaliranjem industrije, trošak proizvodnje energije iz fotonaponske (FN) energije nastavlja se smanjivati, pozicionirajući je kao ključni izvor energije za održivi razvoj u budućnosti.
Ključne komponente fotonaponske tehnologije
Osnovna komponenta tehnologije proizvodnje fotonaponske energije je solarna fotonaponska ćelija. Razvoj solarnih fotonaponskih ćelija može se podijeliti u tri generacije. Prva generacija sastoji se od solarnih ćelija na bazi silicija; druga generacija uključuje tankoslojne solarne ćelije; a treća generacija obuhvaća 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 postupno osvajaju tržišni udio. Većina ćelija treće generacije, osim HCPV-a, još je uvijek u fazi istraživanja.
Solarne ćelije na bazi silicija
Među solarnim ćelijama na bazi silicija, tehnologija monokristalnog silicija je najzrelija. Učinkovitost i trošak ovih ćelija prvenstveno su pod utjecajem proizvodnog procesa, koji uključuje korake poput lijevanja ingota, rezanja pločice, difuzije, teksturiranja, sitotiska i sinteriranja. Solarne ćelije proizvedene ovim konvencionalnim postupkom obično postižu učinkovitost fotoelektrične pretvorbe od 16-18%.
Monokristalne silicijeve solarne ćelije imaju najveću učinkovitost pretvorbe, ali su i najskuplje. Polikristalne silicijeve solarne ćelije nude dobro smanjenje troškova izravnom proizvodnjom velikih kvadratnih silicijskih ingota pogodnih za masovnu proizvodnju. Ovaj proces je jednostavniji, štedi energiju, čuva silicijski materijal i zahtijeva nižu kvalitetu materijala.
Smanjenje troškova solarnih ćelija može se postići dvjema glavnim strategijama: smanjenjem potrošnje materijala (npr. smanjenjem debljine silicijeve pločice) i povećanjem učinkovitosti pretvorbe. Metode za povećanje učinkovitosti uključuju povećanje apsorpcije svjetlosti (npr. teksturiranje površine, antirefleksni premaz, smanjenje širine prednje elektrode), smanjenje rekombinacije fotogeneriranih nositelja (npr. pasivizacija emitera) i minimiziranje otpora (npr. lokalizirano dopiranje, tehnologija polja stražnje površine).
Najviša zabilježena učinkovitost pretvorbe za monokristalne silicijske solarne ćelije iznosi 24,7%, a postignuta je solarnom ćelijom PERL strukture sa Sveučilišta u Novom Južnom Walesu. Ključne tehnološke značajke uključuju nisku koncentraciju dopiranja fosforom na površini silicija radi smanjenja površinske rekombinacije, difuziju visoke koncentracije ispod prednjih i stražnjih površinskih elektroda radi stvaranja 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 učinkovitosti uključuju BP Solarove ćelije s teksturiranom površinom i tehnologiju stražnjeg kontakta (EWT). Prva postiže učinkovitost od 18,3% laserskim urezivanjem žljebova, što smanjuje širinu prednjih elektroda i povećava apsorpciju svjetlosti. Potonja postiže učinkovitost od 21,3% pomicanjem prednjih elektroda straga, povećavajući površinu koja apsorbira svjetlost.
Tankoslojne solarne ćelije
Iako kristalne silicijske solarne ćelije dominiraju zbog svoje visoke učinkovitosti, značajno smanjenje njihovih troškova predstavlja izazov zbog visoke cijene silicijevog materijala. Tankoslojne solarne ćelije, koje koriste manje materijala, pojavile su se kao isplativa alternativa. Glavne vrste tankoslojnih ćelija uključuju tankoslojne ćelije na bazi silicija, kadmij teluridne (CdTe) ćelije i bakreno-indijsko-galij-selenidne (CIGS) ćelije.
Tankoslojne ćelije na bazi silicija debele su samo 2 mikrometra, koristeći oko 1,5% silicijevog materijala potrebnog za kristalne silicijske ćelije. Ovisno o broju PN spojeva, ove ćelije mogu biti jednospojne, dvospojne ili višespojne, a svaka je sposobna apsorbirati različite valne duljine sunčeve svjetlosti. Najveća učinkovitost za jednospojne ćelije je oko 7%, dok dvospojne ćelije mogu doseći 10%.
Tankoslojne CdTe ćelije nude veću učinkovitost (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 visokoučinkovite tehnologije tankih filmova. Prilagođavanjem proizvodnog procesa može se poboljšati njihova apsorpcija svjetlosti, što dovodi do veće učinkovitosti pretvorbe. Trenutno, laboratorijska učinkovitost doseže 20,1%, dok komercijalni proizvodi postižu 13-14%, što ih čini najučinkovitijima među tankoslojnim ćelijama.
Stanice treće generacije
Teoretski, ćelije treće generacije mogu postići visoku učinkovitost pretvorbe. Osim HCPV-a, većina je još uvijek u fazi istraživanja. HCPV ćelije obično koriste III-V poluvodičke materijale, koji imaju veću otpornost na toplinu i održavaju visoku učinkovitost pretvorbe pod jakim osvjetljenjem. Višespojne strukture omogućuju ovim ćelijama da se blisko usklade sa solarnim spektrom, s teorijskom učinkovitošću do 68%. Komercijalna proizvodnja može postići učinkovitost iznad 40%.
Solarne ćelije su kapsulirane u module, a njihova primjena ovisi o njihovim karakteristikama i zahtjevima tržišta. Rane primjene uključivale su komunikacijske bazne stanice i satelite, a kasnije su se proširile na stambena područja poput solarnih krovova. U tim scenarijima, ograničena područja za instalaciju i potrebe za visokom gustoćom energije pogodovale su kristalnim silicijskim modulima. Razvojem velikih solarnih elektrana i fotonaponskih sustava integriranih u zgrade (BIPV), razmatranja troškova dovela su do povećane primjene tankoslojnih ćelija. Okolišni i klimatski uvjeti također utječu na usvajanje različitih tehnologija.
Primjena solarne fotonaponske tehnologije
Pretvaranje sunčevog zračenja u iskoristivu električnu energiju zahtijeva kompletan solarni fotonaponski sustav. Solarne fotonaponske ćelije čine temelj ovog sustava, koji također uključuje pretvarače, baterije, sustave nadzora i distribucijske sustave.
Klasifikacija i sastav fotonaponskih sustava
Solarni fotonaponski sustavi klasificiraju se kao neovisni o mreži i mrežno vezani. Ofgrid sustavi mogu biti samostalni ili hibridni.
Samostalni sustavi se obično koriste u udaljenim područjima, komunikacijskim baznim stanicama i solarnim uličnim svjetlima, oslanjajući se u potpunosti na solarnu energiju. Uključuju solarne module, pretvarače, kontrolere, baterije, distribucijske sustave i zaštitu od udara groma. Baterije i kontroleri značajno utječu na cijenu i vijek trajanja sustava. Hibridni sustavi kombiniraju solarnu energiju s drugim izvorima poput dizelskih generatora ili vjetroturbina.
Sustavi povezani na mrežu, koji se obično koriste za solarne krovove i velike fotonaponske elektrane, ne zahtijevaju opremu za pohranu, što smanjuje troškove. Ovi sustavi uključuju solarne module, pretvarače, distribucijske sustave, zaštitu od munje i sustave nadzora. Trenutno, sustavi povezani na mrežu čine 80% svih solarnih primjena.
Druge tehnologije za proizvodnju fotonaponske energije
Osim tehnologije solarnih fotonaponskih ćelija, za fotonaponske sustave proizvodnje energije ključni su i inverterska tehnologija, integracija u mrežu, pohrana energije i inteligentno praćenje:
Izlazna snaga solarnih ćelija varira ovisno o intenzitetu sunčevog zračenja, što uzrokuje prekide. Integracija mreže velikih razmjera može utjecati na mrežu, što čini kontrolu mreže i zaštitu od otočnog rada ključnima.
Izlaz solarnog modula je istosmjerna struja (DC), što zahtijeva visokokvalitetnu pretvorbu u izmjeničnu struju (AC) putem invertera.
Na izlaznu snagu modula mogu utjecati čimbenici poput temperature i zasjenjenja, što zahtijeva nadzor sustava i alarmne sustave.
Tehnologija daljinskog upravljanja je ključna za fotonaponske elektrane u udaljenim područjima.
Kina prednjači u proizvodnji solarnih modula po kvaliteti i opsegu. Visokoprofitabilna područja unutar industrijskog lanca uključuju pročišćavanje silicija, invertere, sustave za praćenje i proizvodnju fotonaponske opreme. Postizanje napredaka u tim ključnim područjima izazov je za kinesku fotonaponsku industriju.
Trenutno stanje i budući izgledi za proizvodnju solarne fotonaponske energije
Zbog visokih troškova, proizvodnja solarne fotonaponske energije nije doživjela veliki razvoj sve do kraja prošlog stoljeća. Ulaskom u 21. stoljeće, s poboljšanom učinkovitošću i brzo smanjenjem troškova, proizvodnja solarne fotonaponske energije doživjela je brzi rast, s instaliranim kapacitetom koji se povećavao svake godine. Globalni godišnji instalirani kapacitet porastao je s 1,4 GW u 2000. na 22,8 GW u 2009. Europske zemlje poput Njemačke, Italije i Španjolske glavna su tržišta, a EU planira povećati udio solarne energije na 12% ukupne opskrbe električnom energijom do 2020. Zemlje u razvoju poput Kine i Indije također su pokrenule planove razvoja solarne energije. Osim komunikacijskih baznih stanica, solarnih krovova i fotonaponskih elektrana, proizvodnja solarne fotonaponske energije sada se široko koristi u raznim mobilnim uređajima.
Kao dodatni i alternativni izvor energije, solarna fotonaponska tehnologija se brzo razvija, uz smanjenje troškova proizvodnje. S kontinuiranim tehnološkim napretkom, solarna energija, kao čisti i obnovljivi resurs, spremna je postati ključni izvor energije za održivi razvoj.
