Saules fotoelektriskās tehnoloģijas attīstība

Līdz ar tehnoloģiju attīstību un nozares mērogošanu fotoelektriskās (FV) enerģijas ražošanas izmaksas turpina samazināties, pozicionējot to kā galveno enerģijas avotu ilgtspējīgai attīstībai nākotnē.

Fotoelektriskās tehnoloģijas galvenās sastāvdaļas
Fotoelektrisko (PV) enerģijas ražošanas tehnoloģijas galvenā sastāvdaļa ir saules fotoelektriskās baterijas. Saules fotoelektrisko bateriju evolūciju var iedalīt trīs paaudzēs. Pirmā paaudze sastāv no saules baterijām uz silīcija bāzes; otrā paaudze ietver plānplēves saules baterijas; un trešā paaudze ietver jaunas tehnoloģijas, piemēram, augstas koncentrācijas fotoelektriskās (HCPV) baterijas, organiskās saules baterijas, elastīgās saules baterijas un krāsvielu sensibilizētās saules baterijas. Pašlaik tirgū dominē saules baterijas uz silīcija bāzes, savukārt plānplēves baterijas pakāpeniski iegūst tirgus daļu. Lielākā daļa trešās paaudzes bateriju, izņemot HCPV, joprojām atrodas pētniecības fāzē.

Silīcija bāzes saules baterijas

Starp silīcija bāzes saules baterijām monokristāliskā silīcija tehnoloģija ir visattīstītākā. Šo bateriju efektivitāti un izmaksas galvenokārt ietekmē ražošanas process, kas ietver tādus soļus kā stieņu liešana, plākšņu griešana, difūzija, teksturēšana, sietspiede un sintēšana. Ar šo tradicionālo procesu ražotās saules baterijas parasti sasniedz fotoelektriskās konversijas efektivitāti 16–18 %.

Monokristāliskā silīcija saules baterijām ir visaugstākā konversijas efektivitāte, taču tās ir arī visdārgākās. Polikristāliskā silīcija saules baterijas piedāvā labu izmaksu samazinājumu, tieši ražojot liela izmēra kvadrātveida silīcija stieņus, kas piemēroti masveida ražošanai. Šis process ir vienkāršāks, ietaupa enerģiju, saglabā silīcija materiālu un prasa zemāku materiāla kvalitāti.

Saules bateriju izmaksu samazināšanu var panākt, izmantojot divas galvenās stratēģijas: samazinot materiālu patēriņu (piemēram, samazinot silīcija plāksnes biezumu) un palielinot konversijas efektivitāti. Efektivitātes uzlabošanas metodes ietver gaismas absorbcijas palielināšanu (piemēram, virsmas teksturēšanu, pretatstarojošu pārklājumu, priekšējā elektroda platuma samazināšanu), fotoģenerētu nesēju rekombinācijas samazināšanu (piemēram, emitera pasivāciju) un pretestības samazināšanu (piemēram, lokalizētu dopingu, aizmugurējās virsmas lauka tehnoloģiju).

Augstākā reģistrētā monokristāliskā silīcija saules bateriju konversijas efektivitāte ir 24,7%, ko sasniedza PERL struktūras saules baterija no Jaunās Dienvidvelsas Universitātes. Galvenās tehnoloģiskās iezīmes ietver zemu fosfora leģēšanas koncentrāciju uz silīcija virsmas, lai samazinātu virsmas rekombināciju, augstu koncentrācijas difūziju zem priekšējās un aizmugurējās virsmas elektrodiem, lai veidotu labus omiskos kontaktus, un fotolitogrāfijas izmantošanu, lai sašaurinātu priekšējās virsmas elektrodus, palielinot gaismas absorbcijas laukumu. Tomēr šī tehnoloģija vēl nav industrializēta.

Citas efektivitātes uzlabošanas metodes ietver BP Solar virsmas rievotās teksturētās šūnas un aizmugures kontakta (EWT) tehnoloģiju. Pirmā sasniedz 18,3 % efektivitāti, izmantojot lāzera rievojumu, kas samazina priekšējo elektrodu platumu un palielina gaismas absorbciju. Otrā sasniedz 21,3 % efektivitāti, novietojot priekšējos elektrodus aizmugurē, tādējādi palielinot gaismas absorbcijas laukumu.

Plānās plēves saules baterijas

Lai gan kristāliskā silīcija saules baterijas dominē to augstās efektivitātes dēļ, to izmaksu ievērojama samazināšana ir sarežģīta silīcija materiāla augstās cenas dēļ. Kā izmaksu ziņā efektīva alternatīva ir parādījušās plānslāņu plēves saules baterijas, kurās tiek izmantots mazāk materiāla. Galvenie plānslāņu elementu veidi ir uz silīcija bāzes izgatavotas plānslāņu plēves baterijas, kadmija telurīda (CdTe) baterijas un vara indija gallija selenīda (CIGS) baterijas.

Silīcija bāzes plānplēves šūnas ir tikai 2 mikrometrus biezas, izmantojot aptuveni 1,5% no silīcija materiāla, kas nepieciešams kristāliskā silīcija šūnām. Atkarībā no PN savienojumu skaita šīs šūnas var būt ar vienu savienojumu, diviem savienojumiem vai vairākiem savienojumiem, un katra no tām spēj absorbēt dažādus saules gaismas viļņu garumus. Viena savienojuma šūnu augstākā efektivitāte ir aptuveni 7%, savukārt divu savienojumu šūnu efektivitāte var sasniegt 10%.

CdTe plānplēves šūnas piedāvā augstāku efektivitāti (līdz pat 12%), pateicoties to labajām gaismas absorbcijas īpašībām. Tomēr kadmija kancerogēnais raksturs un ierobežotās telūra dabiskās rezerves rada ilgtermiņa attīstības problēmas.

CIGS plānplēves šūnas tiek uzskatītas par augstas efektivitātes plānplēves tehnoloģijas nākotni. Pielāgojot ražošanas procesu, var uzlabot to gaismas absorbciju, tādējādi palielinot konversijas efektivitāti. Pašlaik laboratoriju efektivitāte sasniedz 20,1%, savukārt komerciālo produktu efektivitāte sasniedz 13–14%, padarot tās par visefektīvākajām starp plānplēves šūnām.

Trešās paaudzes šūnas

Teorētiski trešās paaudzes elementi var sasniegt augstu konversijas efektivitāti. Izņemot HCPV, lielākā daļa joprojām ir pētniecības stadijā. HCPV elementi parasti izmanto III-V pusvadītāju materiālus, kuriem ir augstāka karstumizturība un kuri saglabā augstu konversijas efektivitāti pie spēcīga apgaismojuma. Daudzsavienojumu struktūras ļauj šiem elementiem precīzi atbilst Saules spektram, teorētiski sasniedzot efektivitāti līdz pat 68%. Komerciālā ražošana var sasniegt efektivitāti virs 40%.

Saules baterijas ir iekapsulētas moduļos, un to pielietojums ir atkarīgs no to īpašībām un tirgus pieprasījuma. Agrīnie pielietojumi ietvēra sakaru bāzes stacijas un satelītus, vēlāk paplašinājās uz dzīvojamajiem rajoniem, piemēram, saules paneļu jumtiem. Šādos scenārijos ierobežotās uzstādīšanas vietas un augsta enerģijas blīvuma prasības deva priekšroku kristāliskā silīcija moduļiem. Attīstoties liela mēroga saules elektrostacijām un ēkās integrētām fotoelektriskajām iekārtām (BIPV), izmaksu apsvērumi ir noveduši pie plānplēves bateriju pielietojuma pieauguma. Arī vides un klimatiskie apstākļi ietekmē dažādu tehnoloģiju ieviešanu.

Saules fotoelektriskās tehnoloģijas pielietojumi

Saules starojuma pārvēršanai izmantojamā elektrībā ir nepieciešama pilnīga saules fotoelektriskā sistēma. Saules fotoelektriskās šūnas veido šīs sistēmas pamatu, kas ietver arī invertorus, akumulatorus, uzraudzības sistēmas un sadales sistēmas.

PV sistēmas klasifikācija un sastāvs

Saules fotoelektriskās sistēmas tiek klasificētas kā bezsaistes vai tīklam pieslēgtas. Bezsaistes sistēmas var būt autonomas vai hibrīdas.

Autonomās sistēmas parasti tiek izmantotas attālos apgabalos, sakaru bāzes stacijās un saules ielu apgaismojumā, pilnībā paļaujoties uz saules enerģiju. Tās ietver saules moduļus, invertorus, kontrolierus, akumulatorus, sadales sistēmas un zibens aizsardzību. Baterijas un kontrolieri būtiski ietekmē sistēmas izmaksas un kalpošanas laiku. Hibrīdās sistēmas apvieno saules enerģiju ar citiem avotiem, piemēram, dīzeļģeneratoriem vai vēja turbīnām.

Tīklam pieslēgtām sistēmām, ko parasti izmanto saules paneļu jumtiem un liela mēroga fotoelektriskajām spēkstacijām, nav nepieciešams uzglabāšanas aprīkojums, tādējādi samazinot izmaksas. Šīs sistēmas ietver saules moduļus, invertorus, sadales sistēmas, zibens aizsardzību un uzraudzības sistēmas. Pašlaik tīklam pieslēgtas sistēmas veido 80% no visiem saules enerģijas lietojumiem.

Citas fotoelektriskās enerģijas ražošanas tehnoloģijas

Papildus saules fotoelektrisko elementu tehnoloģijai, fotoelektrisko enerģijas ražošanas sistēmām ir svarīga invertora tehnoloģija, tīkla integrācija, uzglabāšana un vieda uzraudzība:

Saules bateriju izejas jauda mainās atkarībā no saules starojuma intensitātes, izraisot intermitējošus efektus. Liela mēroga tīkla integrācija var ietekmēt tīklu, padarot tīkla kontroli un aizsardzību pret salu veidošanos par būtisku.
Saules moduļa izeja ir līdzstrāva (DC), kas prasa augstas kvalitātes pārveidošanu maiņstrāvā (AC), izmantojot invertorus.
Moduļa jaudu var ietekmēt tādi faktori kā temperatūra un ēnojums, tāpēc ir nepieciešama sistēmas uzraudzības un trauksmes sistēmas.
Tālvadības tehnoloģija ir vitāli svarīga fotoelektriskajām elektrostacijām attālos apgabalos.
Ķīna ir līdere saules moduļu ražošanā gan kvalitātes, gan apjoma ziņā. Augstas peļņas jomas šajā rūpniecības ķēdē ietver silīcija attīrīšanu, invertorus, uzraudzības sistēmas un fotoelektrisko iekārtu ražošanu. Izrāvienu sasniegšana šajās galvenajās jomās ir izaicinājums Ķīnas fotoelektrisko iekārtu nozarei.

Saules fotoelektrisko enerģijas ražošanas pašreizējais stāvoklis un nākotnes perspektīvas