Þróun sólarljósatækni

Með tækniframförum og vexti iðnaðarins heldur kostnaður við sólarorkuframleiðslu (PV) áfram að lækka, sem gerir hana að lykilorkugjafa fyrir sjálfbæra þróun í framtíðinni.

Lykilþættir sólarorkutækni
Kjarninn í sólarorkuframleiðslutækni fyrir sólarsellur er sólarsellan. Þróun sólarsella má skipta í þrjár kynslóðir. Fyrsta kynslóðin samanstendur af sólarsellum úr kísil; önnur kynslóðin inniheldur þunnfilmu sólarsellur; og þriðja kynslóðin nær yfir nýja tækni eins og sólarsellur með mikilli einbeitingu (HCPV), lífrænar sólarsellur, sveigjanlegar sólarsellur og litarefnisnæmar sólarsellur. Eins og er eru sólarsellur úr kísil ráðandi á markaðnum, en þunnfilmu sólarsellur eru smám saman að ná markaðshlutdeild. Flestar þriðju kynslóðar sólarsellur, fyrir utan HCPV, eru enn á rannsóknarstigi.

Kísill-byggðar sólarsellur

Meðal sólarsella sem byggja á kísil er einkristallað kísiltækni sú fullkomnasta. Nýtni og kostnaður þessara sella er fyrst og fremst undir áhrifum framleiðsluferlisins, sem felur í sér skref eins og steypu, sneiðingu á skífum, dreifingu, áferð, skjáprentun og sintrun. Sólarsellur sem framleiddar eru með þessu hefðbundna ferli ná yfirleitt ljósvirkni upp á 16-18%.

Einkristallaðar kísilsólfrumur hafa hæstu umbreytingarnýtnina en eru einnig þær dýrustu. Fjölkristallaðar kísilsólfrumur bjóða upp á góða kostnaðarlækkun með því að framleiða beint stóra ferkantaða kísillstöngla sem henta til fjöldaframleiðslu. Þetta ferli er einfaldara, sparar orku, sparar kísillefni og krefst lægri efnisgæða.

Hægt er að lækka kostnað við sólarsellur með tveimur meginaðferðum: að minnka efnisnotkun (t.d. með því að minnka þykkt kísilflögu) og auka skilvirkni umbreytingar. Aðferðir til að auka skilvirkni eru meðal annars aukin ljósgleypni (t.d. yfirborðsáferð, endurskinsvörn, minnkun á breidd fremri rafskautsins), minnkun á endurröðun ljósmyndaðra flutningsaðila (t.d. óvirkjun geislagjafa) og lágmarkun viðnáms (t.d. staðbundin lyfjagjöf, bakflötssviðstækni).

Hæsta skráða umbreytingarnýtni fyrir einkristallaða kísilsólfrumur er 24,7%, sem náðist með PERL-sólfrumu frá Háskólanum í Nýja Suður-Wales. Helstu tæknilegir eiginleikar eru meðal annars lágur fosfórdópunarstyrkur á kísillyfirborðinu til að draga úr endurröðun yfirborðsins, mikill dreifingarstyrkur undir fram- og afturyfirborðsrafskautum til að mynda góða ómska snertingu og notkun ljósritunar til að þrengja framyfirborðsrafskautana og auka ljósgleypnisvæðið. Þessi tækni hefur þó enn ekki verið iðnvædd.

Aðrar aðferðir til að bæta skilvirkni eru meðal annars yfirborðsrifjaðar áferðarfrumur frá BP Solar og baksnertitækni (EWT). Sú fyrri nær 18,3% skilvirkni með leysirifum, sem minnkar breidd fremri rafskautanna og eykur ljósgleypni. Sú síðari nær 21,3% skilvirkni með því að færa fremri rafskautana aftar, sem eykur ljósgleypnisvæðið.

Þunnfilmu sólarsellur

Þó að kristallaðar kísill sólarsellur séu ráðandi vegna mikillar skilvirkni sinnar, er krefjandi að lækka kostnað við þær verulega vegna hás verðs á kísillefni. Þunnfilmu sólarsellur, sem nota minna efni, hafa komið fram sem hagkvæmur valkostur. Helstu gerðir þunnfilmu sólarsella eru kísill-byggðar þunnfilmusellur, kadmíumtelluríð (CdTe) sólarsellur og kopar indíum gallíum seleníð (CIGS) sólarsellur.

Þunnfilmufrumur úr kísil eru aðeins 2 míkrómetrar þykkar og nota um 1,5% af því kísilefni sem þarf fyrir kristallaðar kísilfrumur. Þessar frumur geta verið með einum, tveimur eða mörgum tengingum, og geta hver um sig gleypt mismunandi bylgjulengdir sólarljóss. Mesta skilvirkni fyrir frumur með einum tengingu er um 7%, en frumur með tveimur tengingum geta náð 10%.

Þunnfilmufrumur úr kadmíum (CdTe) bjóða upp á meiri skilvirkni (allt að 12%) vegna góðra ljósgleypnieiginleika. Hins vegar skapa krabbameinsvaldandi eiginleikar kadmíums og takmarkaðar náttúruforðunarstöður tellúrs langtímaáskoranir í þróun.

Þunnfilmufrumur úr CIGS eru taldar vera framtíðin í skilvirkri þunnfilmutækni. Með því að aðlaga framleiðsluferlið er hægt að bæta ljósgleypni þeirra, sem leiðir til meiri skilvirkni í umbreytingu. Eins og er nær skilvirkni í rannsóknarstofum 20,1%, en iðnaðarframleiðslur ná 13-14%, sem gerir þær að skilvirkustu þunnfilmufrumunum.

Þriðju kynslóðar frumur

Fræðilega séð geta þriðju kynslóðar frumur náð mikilli umbreytingarnýtni. Fyrir utan HCPV eru flestar enn á rannsóknarstigi. HCPV frumur nota yfirleitt III-V hálfleiðaraefni, sem hafa meiri hitaþol og viðhalda mikilli umbreytingarnýtni við mikla birtu. Fjöltengingarbyggingar gera þessum frumum kleift að passa vel við sólarrófið, með fræðilegri nýtni allt að 68%. Viðskiptaframleiðsla getur náð nýtni yfir 40%.

Sólarsellur eru innkapslaðar í einingar og notkun þeirra fer eftir eiginleikum þeirra og markaðsþörfum. Snemma notkun þeirra voru meðal annars fjarskiptastöðvar og gervihnettir, en síðar var hún útbreidd til íbúðarsvæða eins og sólarþöka. Í þessum tilfellum voru kristallaðar kísileiningar í uppáhaldi vegna takmarkaðra uppsetningarsvæða og mikillar orkuþarfar. Með þróun stórfelldra sólarorkuvera og byggingarsamþættra sólarorkuvera (BIPV) hafa kostnaðarsjónarmið leitt til aukinnar notkunar þunnfilmuselja. Umhverfis- og loftslagsaðstæður hafa einnig áhrif á notkun mismunandi tækni.

Notkun sólarljósatækni

Að breyta sólargeislun í nothæfa raforku krefst fullkomins sólarorkukerfis. Sólarsellur mynda grunninn að þessu kerfi, sem inniheldur einnig invertera, rafhlöður, eftirlitskerfi og dreifikerfi.

Flokkun og samsetning sólarorkuvera

Sólarorkukerfi eru flokkuð annað hvort sem þau eru tengd við raforkukerfið eða ótengd raforkukerfi. Kerfi sem eru tengd við raforkukerfið geta verið sjálfstæð eða blönduð.

Sjálfstæð kerfi eru yfirleitt notuð á afskekktum svæðum, sem fjarskiptastöðvar og sólarljósakerfi, og reiða sig eingöngu á sólarorku. Þau innihalda sólareiningar, invertera, stýringar, rafhlöður, dreifikerfi og eldingarvarnir. Rafhlöður og stýringar hafa veruleg áhrif á kostnað og líftíma kerfisins. Blendingskerfi sameina sólarorku við aðrar orkugjafa eins og díselrafstöðvar eða vindmyllur.

Kerfi tengd raforkukerfi, sem eru almennt notuð fyrir sólarþök og stórar sólarorkuver, þurfa ekki geymslubúnað, sem dregur úr kostnaði. Þessi kerfi innihalda sólareiningar, invertera, dreifikerfi, eldingarvarnir og eftirlitskerfi. Eins og er eru kerfi tengd raforkukerfi 80% allra sólarorkuforrita.

Önnur tækni til að framleiða sólarorku

Auk sólarorkuframleiðslukerfa eru invertertækni, samþætting við raforkukerfi, geymsla og snjall eftirlit lykilatriði fyrir sólarorkuframleiðslukerfi:

Afköst sólarsella eru breytileg eftir styrk sólargeislunar, sem veldur óreglulegum breytingum. Stórfelld samþætting við raforkukerfi getur haft áhrif á raforkukerfið, sem gerir stjórnun á raforkukerfinu og vernd gegn eyðingu raforkuvera nauðsynlega.
Úttak sólareiningarinnar er jafnstraumur (DC) sem krefst hágæða umbreytingar í riðstraum (AC) með inverterum.
Afköst eininga geta orðið fyrir áhrifum af þáttum eins og hitastigi og skugga, sem kallar á kerfisvöktun og viðvörunarkerfi.
Fjarstýringartækni er nauðsynleg fyrir sólarorkuver á afskekktum svæðum.
Kína er leiðandi í framleiðslu sólarsólareininga hvað varðar gæði og umfang. Meðal hagnaðarmikilla sviða innan iðnaðarkeðjunnar eru kísilhreinsun, inverterar, eftirlitskerfi og framleiðsla á sólarorkubúnaði. Að ná byltingarkenndum árangri á þessum lykilsviðum er áskorun fyrir kínverska sólarorkuiðnaðinn.

Núverandi staða og framtíðarhorfur í sólarorkuframleiðslu