פיתוח טכנולוגיה פוטו-וולטאית סולארית

עם ההתקדמות הטכנולוגית והתרחבות התעשייה, עלות ייצור החשמל הפוטו-וולטאית (PV) ממשיכה לרדת, מה שממצב אותו כמקור אנרגיה מרכזי לפיתוח בר-קיימא בעתיד.

רכיבים מרכזיים של טכנולוגיה פוטו-וולטאית
המרכיב המרכזי בטכנולוגיית ייצור חשמל פוטו-וולטאי הוא תאי PV סולאריים. את התפתחות תאי ה-PV הסולאריים ניתן לסווג לשלושה דורות. הדור הראשון מורכב מתאים סולאריים מבוססי סיליקון; הדור השני כולל תאי סולאריים בעלי שכבה דקה; והדור השלישי כולל טכנולוגיות חדשות כגון תאים פוטו-וולטאיים בריכוז גבוה (HCPV), תאים סולאריים אורגניים, תאים סולאריים גמישים ותאים סולאריים רגישים לצבע. נכון לעכשיו, תאים סולאריים מבוססי סיליקון שולטים בשוק, בעוד שתאי שכבה דקה צוברים בהדרגה נתח שוק. רוב התאים מהדור השלישי, למעט HCPV, עדיין נמצאים בשלב המחקר.

תאים סולאריים מבוססי סיליקון

מבין תאי השמש מבוססי סיליקון, טכנולוגיית הסיליקון המונוקריסטלי היא הפיתוחית ביותר. היעילות והעלות של תאים אלה מושפעות בעיקר מתהליך הייצור, הכולל שלבים כגון יציקת מטילי סיליקון, חיתוך פרוסות סיליקון, דיפוזיה, מרקם, הדפסת משי וסינטור. תאי שמש המיוצרים בתהליך קונבנציונלי זה משיגים בדרך כלל יעילות המרה פוטואלקטרית של 16-18%.

לתאי שמש מסיליקון חד-קריסטליים יש את יעילות ההמרה הגבוהה ביותר, אך הם גם היקרים ביותר. תאי שמש מסיליקון פולי-קריסטלי מציעים הפחתת עלויות טובה על ידי ייצור ישיר של מטילי סיליקון מרובעים בגודל גדול המתאימים לייצור המוני. תהליך זה פשוט יותר, חוסך באנרגיה, חוסך בחומר הסיליקון ודורש איכות חומר נמוכה יותר.

ניתן להשיג הפחתת עלות תאים סולאריים באמצעות שתי אסטרטגיות עיקריות: הפחתת צריכת החומר (למשל, הפחתת עובי פרוסת סיליקון) והגברת יעילות ההמרה. שיטות לשיפור היעילות כוללות הגברת בליעת האור (למשל, מרקם פני השטח, ציפוי אנטי-רפלקטיבי, הפחתת רוחב האלקטרודה הקדמית), הפחתת רקומבינציה של נושאי מטען פוטואלקטריים (למשל, פסיבציה של פולט), ומזעור התנגדות (למשל, סימום מקומי, טכנולוגיית שדה פני השטח האחוריים).

יעילות ההמרה הגבוהה ביותר שתועדה עבור תאי שמש מסיליקון חד-קריסטליים היא 24.7%, שהושגה על ידי תא שמש בעל מבנה PERL מאוניברסיטת ניו סאות' ויילס. מאפיינים טכנולוגיים מרכזיים כוללים ריכוז זרחן נמוך על פני הסיליקון כדי להפחית רקומבינציה של פני השטח, דיפוזיה בריכוז גבוה מתחת לאלקטרודות פני השטח הקדמיות והאחוריות כדי ליצור מגעים אוהמיים טובים, ושימוש בפוטוליגרפיה כדי לצמצם את האלקטרודות פני השטח הקדמיות, ולהגדיל את אזור ספיגת האור. עם זאת, טכנולוגיה זו טרם עברה תיעוש.

טכניקות נוספות לשיפור היעילות כוללות את תאי ה-surface grooved textured cells וטכנולוגיית back-contact (EWT) של BP Solar. הראשונה משיגה יעילות של 18.3% באמצעות חריצת לייזר, אשר מקטינה את רוחב האלקטרודות הקדמיות ומגבירה את ספיגת האור. השנייה משיגה יעילות של 21.3% על ידי הבאת האלקטרודות הקדמיות לאחור, מה שמגדיל את שטח ספיגת האור.

תאי שמש דקים

בעוד שתאי שמש מסיליקון גבישיים שולטים בשל יעילותם הגבוהה, הפחתה משמעותית של עלותם היא מאתגרת עקב המחיר הגבוה של חומר הסיליקון. תאי שמש בעלי שכבה דקה, המשתמשים בפחות חומר, צצו כחלופה חסכונית. הסוגים העיקריים של תאי שכבה דקה כוללים תאי שכבה דקה מבוססי סיליקון, תאי קדמיום טלוריד (CdTe) ותאי נחושת אינדיום גליום סלניד (CIGS).

תאי שכבה דקה מבוססי סיליקון הם בעובי של 2 מיקרומטרים בלבד, ומשתמשים בכ-1.5% מחומר הסיליקון הנדרש לתאי סיליקון גבישיים. בהתאם למספר צמתי ה-PN, תאים אלה יכולים להיות בעלי צומת יחיד, צומת כפול או רב-צומת, כאשר כל אחד מהם מסוגל לספוג אורכי גל שונים של אור שמש. היעילות הגבוהה ביותר עבור תאים בעלי צומת יחיד היא כ-7%, בעוד שתאים בעלי צומת כפול יכולים להגיע ל-10%.

תאי שכבה דקה של קדמיום (CdTe) מציעים יעילות גבוהה יותר (עד 12%) הודות לתכונות ספיגת האור הטובות שלהם. עם זאת, האופי המסרטן של קדמיום והעתודות הטבעיות המוגבלות של טלוריום מציבים אתגרים בפיתוח לטווח ארוך.

תאי שכבה דקה מסוג CIGS נחשבים לעתיד טכנולוגיית שכבה דקה בעלת יעילות גבוהה. על ידי התאמת תהליך הייצור, ניתן לשפר את ספיגת האור שלהם, מה שמוביל ליעילות המרה גבוהה יותר. נכון לעכשיו, יעילות המעבדה מגיעה ל-20.1%, בעוד שמוצרים מסחריים מגיעים ל-13-14%, מה שהופך אותם ליעילים ביותר מבין תאי שכבה דקה.

תאי דור שלישי

תיאורטית, תאים מדור שלישי יכולים להשיג יעילות המרה גבוהה. מלבד HCPV, רובם עדיין נמצאים בשלב המחקר. תאי HCPV משתמשים בדרך כלל בחומרי מוליכים למחצה III-V, בעלי עמידות גבוהה יותר בחום ושומרים על יעילות המרה גבוהה תחת תאורה חזקה. מבנים מרובי צומת מאפשרים לתאים אלה להתאים באופן מקרוב לספקטרום הסולארי, עם יעילות תיאורטית של עד 68%. ייצור מסחרי יכול להשיג יעילות מעל 40%.

תאים סולאריים ארוזים במודולים, ויישומיהם תלויים במאפייניהם ובדרישות השוק. יישומים מוקדמים כללו תחנות בסיס תקשורת ולוויינים, ולאחר מכן התרחבו לאזורי מגורים כמו גגות סולאריים. בתרחישים אלה, אזורי התקנה מוגבלים וצרכים בצפיפות אנרגיה גבוהה העדיפו מודולים של סיליקון גבישי. עם פיתוחן של תחנות כוח סולאריות בקנה מידה גדול ומערכות פוטו-וולטאיות משולבות בבניינים (BIPV), שיקולי עלות הובילו לעלייה ביישומים של תאי שכבה דקה. תנאים סביבתיים ואקלימיים משפיעים גם הם על אימוץ טכנולוגיות שונות.

יישומים של טכנולוגיה פוטו-וולטאית סולארית

המרת קרינת שמש לחשמל שמיש דורשת מערכת סולארית פוטו-וולטאית שלמה. תאי פוטו-וולטאיים סולאריים מהווים את הבסיס למערכת זו, הכוללת גם ממירים, סוללות, מערכות ניטור ומערכות הפצה.

סיווג והרכב של מערכות פוטו-וולטאיות

מערכות סולאריות פוטו-וולטאיות מסווגות כמערכות שאינן מחוברות לרשת החשמל או כמערכות המחוברות לרשת החשמל. מערכות שאינן מחוברות לרשת החשמל יכולות להיות עצמאיות או היברידיות.

מערכות עצמאיות משמשות בדרך כלל באזורים מרוחקים, תחנות בסיס תקשורת ותאורת רחוב סולארית, המסתמכות לחלוטין על אנרגיה סולארית. הן כוללות מודולים סולאריים, ממירים, בקרים, סוללות, מערכות חלוקה והגנה מפני ברקים. סוללות ובקרים משפיעים באופן משמעותי על עלות המערכת ועל תוחלת החיים שלה. מערכות היברידיות משלבות אנרגיה סולארית עם מקורות אחרים כמו גנרטורים דיזל או טורבינות רוח.

מערכות המחוברות לרשת החשמל, הנפוצות בגגות סולאריים ובתחנות כוח פוטו-וולטאיות בקנה מידה גדול, אינן דורשות ציוד אחסון, מה שמפחית עלויות. מערכות אלו כוללות מודולים סולאריים, ממירים, מערכות חלוקה, הגנה מפני ברקים ומערכות ניטור. נכון לעכשיו, מערכות המחוברות לרשת החשמל מהוות 80% מכלל היישומים הסולאריים.

טכנולוגיות אחרות לייצור חשמל פוטו-וולטאית

מלבד טכנולוגיית תאי PV סולאריים, טכנולוגיית אינוורטר, שילוב רשת חשמל, אחסון וניטור חכם הם קריטיים עבור מערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות:

עוצמת הפלט של תאים סולאריים משתנה בהתאם לעוצמת קרינת השמש, מה שגורם לסירוגין. שילוב רשת בקנה מידה גדול יכול להשפיע על הרשת, מה שהופך את בקרת הרשת והגנה מפני אי-התנגשות לחיוניים.
פלט המודול הסולארי הוא זרם ישר (DC), הדורש המרה באיכות גבוהה לזרם חילופין (AC) באמצעות ממירים.
תפוקת החשמל של המודול יכולה להיות מושפעת מגורמים כמו טמפרטורה והצללה, מה שמצריך ניטור מערכת ומערכות אזעקה.
טכנולוגיית שליטה מרחוק חיונית לתחנות כוח פוטו-וולטאיות באזורים מרוחקים.
סין מובילה בייצור מודולים סולאריים מבחינת איכות וקנה מידה. תחומים בעלי רווח גבוה בשרשרת התעשייה כוללים טיהור סיליקון, ממירים, מערכות ניטור וייצור ציוד פוטו-וולטאי. השגת פריצות דרך בתחומים מרכזיים אלה היא אתגר עבור תעשיית הפוטו-וולטאי הסינית.

מצב נוכחי וסיכויים עתידיים של ייצור חשמל סולארי פוטו-וולטאי