Технологиялық жетістіктер мен саланың масштабталуымен фотоэлектрлік (ФЭ) энергия өндіру құны төмендеуді жалғастыруда, бұл оны болашақта тұрақты даму үшін маңызды энергия көзі ретінде көрсетеді.
Фотоэлектрлік технологияның негізгі компоненттері
Фотоэлектрлік энергия өндіру технологиясының негізгі компоненті - күн фотоэлектрлік батареясы. Күн фотоэлектрлік батареяларының эволюциясын үш буынға бөлуге болады. Бірінші буын кремний негізіндегі күн батареяларынан тұрады; екінші буын жұқа қабықшалы күн батареяларын қамтиды; ал үшінші буын жоғары концентрациялы фотоэлектрлік (HCPV) батареялар, органикалық күн батареялары, икемді күн батареялары және бояғышқа сезімтал күн батареялары сияқты жаңа технологияларды қамтиды. Қазіргі уақытта кремний негізіндегі күн батареялары нарықта басым, ал жұқа қабықшалы батареялар біртіндеп нарық үлесін алуда. HCPV-ден басқа үшінші буын батареяларының көпшілігі әлі зерттеу сатысында.
Кремний негізіндегі күн батареялары
Кремний негізіндегі күн батареяларының ішінде монокристалды кремний технологиясы ең жетілген болып табылады. Бұл батареялардың тиімділігі мен құнына негізінен құйма құю, пластина кесу, диффузия, текстуралау, трафаретті басып шығару және күйдіру сияқты қадамдарды қамтитын өндіріс процесі әсер етеді. Бұл дәстүрлі процесс арқылы өндірілген күн батареялары әдетте 16-18% фотоэлектрлік түрлендіру тиімділігіне жетеді.
Монокристалды кремнийлі күн батареялары ең жоғары түрлендіру тиімділігіне ие, бірақ сонымен бірге ең қымбаты болып табылады. Поликристалды кремнийлі күн батареялары жаппай өндіріске жарамды үлкен өлшемді шаршы кремний құймаларын тікелей өндіру арқылы шығындарды жақсы төмендетуді ұсынады. Бұл процесс қарапайым, қуатты үнемдейді, кремний материалын үнемдейді және материалдың сапасын төмендетеді.
Күн батареяларының құнын төмендетуге екі негізгі стратегия арқылы қол жеткізуге болады: материал шығынын азайту (мысалы, кремний пластинасының қалыңдығын азайту) және конверсия тиімділігін арттыру. Тиімділікті арттыру әдістеріне жарықтың сіңірілуін арттыру (мысалы, беттік текстуралау, шағылыстыруға қарсы жабын, алдыңғы электрод енін азайту), фотогенерацияланған тасымалдаушылардың рекомбинациясын азайту (мысалы, эмиттер пассивациясы) және кедергіні азайту (мысалы, локализацияланған легирлеу, артқы беттік өріс технологиясы) жатады.
Монокристалды кремнийлі күн батареялары үшін ең жоғары тіркелген түрлендіру тиімділігі 24,7% құрайды, оған Жаңа Оңтүстік Уэльс университетінің PERL құрылымды күн батареясы қол жеткізді. Негізгі технологиялық ерекшеліктерге беттік рекомбинацияны азайту үшін кремний бетіндегі фосфордың төмен концентрациясы, жақсы омдық байланыстарды қалыптастыру үшін алдыңғы және артқы беттік электродтардың астында жоғары концентрациялы диффузия және алдыңғы беттік электродтарды тарылту, жарық сіңіру аймағын арттыру үшін фотолитографияны пайдалану жатады. Дегенмен, бұл технология әлі индустрияландырылған жоқ.
Тиімділікті арттырудың басқа әдістеріне BP Solar беткі ойық тәрізді текстуралы ұяшықтар және кері байланыс (EWT) технологиясы жатады. Біріншісі лазерлік ойық арқылы 18,3% тиімділікке қол жеткізеді, бұл алдыңғы электродтардың енін азайтады және жарықтың сіңірілуін арттырады. Соңғысы алдыңғы электродтарды артқы жағына жақындату арқылы 21,3% тиімділікке қол жеткізеді, бұл жарық сіңіру аймағын арттырады.
Жұқа пленкалы күн батареялары
Кристалды кремний күн батареялары жоғары тиімділігіне байланысты басым болғанымен, кремний материалының жоғары бағасына байланысты олардың құнын айтарлықтай төмендету қиынға соғады. Аз материал пайдаланатын жұқа пленкалы күн батареялары тиімді балама ретінде пайда болды. Жұқа пленкалы батареялардың негізгі түрлеріне кремний негізіндегі жұқа пленкалы батареялар, кадмий теллуриді (CdTe) батареялары және мыс индий галлий селениді (CIGS) батареялары жатады.
Кремний негізіндегі жұқа қабықшалы жасушалардың қалыңдығы небәрі 2 микрометрді құрайды, олар кристалды кремний жасушаларына қажетті кремний материалының шамамен 1,5%-ын пайдаланады. PN түйіспелерінің санына байланысты бұл жасушалар бір түйіспелі, қос түйіспелі немесе көп түйіспелі болуы мүмкін, әрқайсысы күн сәулесінің әртүрлі толқын ұзындықтарын сіңіре алады. Бір түйіспелі жасушалардың ең жоғары тиімділігі шамамен 7% құрайды, ал қос түйіспелі жасушалар 10%-ға жетуі мүмкін.
CdTe жұқа қабықшалы жасушалары жарықты жақсы сіңіру қасиеттеріне байланысты жоғары тиімділікті (12%-ға дейін) ұсынады. Дегенмен, кадмийдің канцерогендік табиғаты және теллурдың шектеулі табиғи қоры ұзақ мерзімді даму қиындықтарын тудырады.
CIGS жұқа пленкалы жасушалары жоғары тиімді жұқа пленкалы технологияның болашағы болып саналады. Өндіріс процесін реттеу арқылы олардың жарық сіңірілуін жақсартуға болады, бұл конверсия тиімділігін арттыруға әкеледі. Қазіргі уақытта зертханалық тиімділік 20,1%-ға жетеді, ал коммерциялық өнімдер 13-14%-ға жетеді, бұл оларды жұқа пленкалы жасушалар арасындағы ең тиімді етеді.
Үшінші буын жасушалары
Теориялық тұрғыдан алғанда, үшінші буын ұяшықтары жоғары конверсия тиімділігіне қол жеткізе алады. HCPV-ден басқа, көпшілігі әлі зерттеу сатысында. HCPV ұяшықтары әдетте жоғары жылу кедергісіне ие және жоғары жарықтандыру кезінде жоғары конверсия тиімділігін сақтайтын III-V жартылай өткізгіш материалдарын пайдаланады. Көп түйінді құрылымдар бұл ұяшықтардың күн спектрімен тығыз сәйкес келуіне мүмкіндік береді, теориялық тиімділік 68%-ға дейін жетеді. Коммерциялық өндіріс 40%-дан жоғары тиімділікке қол жеткізе алады.
Күн батареялары модульдерге салынған және олардың қолданылуы олардың сипаттамалары мен нарықтық сұраныстарға байланысты. Алғашқы қолданыстарға байланыс базалық станциялары мен спутниктер кірді, кейінірек күн батареяларының шатырлары сияқты тұрғын аудандарға кеңейді. Бұл сценарийлерде шектеулі орнату алаңдары және жоғары энергия тығыздығына деген қажеттілік кристалды кремний модульдерін қолдады. Ірі көлемді күн электр станциялары мен ғимараттарға интеграцияланған фотоэлектрлік құрылғылардың (BIPV) дамуымен шығындарды ескеру жұқа қабықшалы батареяларды қолданудың артуына әкелді. Қоршаған орта мен климаттық жағдайлар да әртүрлі технологияларды енгізуге әсер етеді.
Күн фотоэлектрлік технологиясының қолданылуы
Күн радиациясын пайдалануға жарамды электр энергиясына айналдыру үшін толық күн фотоэлектрлік жүйесі қажет. Күн фотоэлектрлік батареялары бұл жүйенің негізін құрайды, оған инверторлар, батареялар, бақылау жүйелері және тарату жүйелері де кіреді.
Фотоэлектрлік жүйенің жіктелуі және құрамы
Күн энергиясын өндіретін фотоэлектрлік жүйелер желіден тыс немесе желіге қосылған болып жіктеледі. Желіден тыс жүйелер дербес немесе гибридті болуы мүмкін.
Дербес жүйелер әдетте шалғай аудандарда, байланыс базалық станцияларында және күн энергиясымен жұмыс істейтін көше шамдарында қолданылады, олар толығымен күн энергиясына негізделген. Оларға күн модульдері, инверторлар, контроллерлер, батареялар, тарату жүйелері және найзағайдан қорғау кіреді. Батареялар мен контроллерлер жүйенің құны мен қызмет ету мерзіміне айтарлықтай әсер етеді. Гибридті жүйелер күн энергиясын дизель генераторлары немесе жел турбиналары сияқты басқа көздермен біріктіреді.
Күн энергиясымен жұмыс істейтін шатырлар мен ірі көлемді фотоэлектрлік электр станцияларында жиі қолданылатын торлы жүйелер сақтау жабдықтарын қажет етпейді, бұл шығындарды азайтады. Бұл жүйелерге күн модульдері, инверторлар, тарату жүйелері, найзағайдан қорғау және бақылау жүйелері кіреді. Қазіргі уақытта торлы жүйелер барлық күн энергиясын қолданудың 80%-ын құрайды.
Басқа фотоэлектрлік энергия өндіру технологиялары
Күн энергиясын өндіретін фотоэлектрлік ұяшық технологиясынан басқа, инверторлық технология, электрлік интеграция, сақтау және ақылды мониторинг фотоэлектрлік энергия өндіру жүйелері үшін өте маңызды:
Күн батареясының шығыс қуаты күн радиациясының қарқындылығына байланысты өзгеріп отырады, бұл үзілісті тудырады. Ірі көлемді электр желісін біріктіру электр желісіне әсер етуі мүмкін, бұл электр желісін басқаруды және аралдарды қорғауды маңызды етеді.
Күн модулінің шығысы тұрақты ток (ТТ) болып табылады, бұл инверторлар арқылы айнымалы токқа (АТ) жоғары сапалы түрлендіруді қажет етеді.
Модульдің қуат шығысына температура мен көлеңкелеу сияқты факторлар әсер етуі мүмкін, бұл жүйені бақылау және дабыл жүйелерін қажет етеді.
Қашықтан басқару технологиясы шалғай аудандардағы фотоэлектр станциялары үшін өте маңызды.
Қытай күн модульдерін өндіруде сапа мен көлем бойынша көшбасшы болып табылады. Салалық тізбектегі жоғары пайда әкелетін салаларға кремнийді тазарту, инверторлар, бақылау жүйелері және фотоэлектрлік жабдықтар өндірісі кіреді. Бұл негізгі салаларда жетістіктерге жету Қытайдың фотоэлектрлік өнеркәсібі үшін қиын міндет болып табылады.
Күн энергиясын өндірудің ағымдағы жағдайы және болашақ перспективалары
Жоғары шығындарға байланысты күн энергиясын өндіру өткен ғасырдың соңына дейін кең ауқымды дамымады. XXI ғасырға аяқ басқанда, тиімділіктің артуы және шығындардың тез төмендеуімен күн энергиясын өндіру жылдам өсті, орнатылған қуат жыл сайын артып келеді. Әлемдік жылдық орнатылған қуат 2000 жылы 1,4 ГВт-тан 2009 жылы 22,8 ГВт-қа дейін өсті. Германия, Италия және Испания сияқты еуропалық елдер негізгі нарықтар болып табылады, ЕО 2020 жылға қарай күн энергиясының үлесін жалпы электр қуатымен қамтамасыз етудің 12%-ына дейін арттыруды жоспарлап отыр. Қытай мен Үндістан сияқты дамушы елдер де күн энергиясын дамыту жоспарларын іске қосты. Байланыс базалық станцияларынан, күн шатырларынан және күн энергиясын өндіретін электр станцияларынан басқа, күн энергиясын өндіру қазір әртүрлі мобильді құрылғыларда кеңінен қолданылады.
Қосымша және баламалы энергия көзі ретінде күн фотоэлектрлік технологиясы тез дамып келеді, генерация шығындары төмендейді. Үздіксіз технологиялық жетістіктермен күн энергиясы таза және жаңартылатын ресурс ретінде тұрақты даму үшін негізгі энергия көзіне айналуға дайын.
