Dengan kemajuan teknologi dan penskalaan industri, kos penjanaan kuasa fotovoltaik (PV) terus menurun, meletakkannya sebagai sumber tenaga penting untuk pembangunan mampan pada masa hadapan.
Komponen Utama Teknologi Fotovoltaik
Komponen teras teknologi penjanaan kuasa PV ialah sel PV solar. Evolusi sel PV solar boleh dikategorikan kepada tiga generasi. Generasi pertama terdiri daripada sel solar berasaskan silikon; generasi kedua merangkumi sel solar filem nipis; dan generasi ketiga merangkumi teknologi baharu seperti sel fotovoltaik berkepekatan tinggi (HCPV), sel solar organik, sel solar fleksibel dan sel solar yang dipeka pewarna. Pada masa ini, sel solar berasaskan silikon menguasai pasaran, manakala sel filem nipis secara beransur-ansur mendapat bahagian pasaran. Kebanyakan sel generasi ketiga, kecuali HCPV, masih dalam fasa penyelidikan.
Sel Suria Berasaskan Silikon
Antara sel suria berasaskan silikon, teknologi silikon monokristalin adalah yang paling matang. Kecekapan dan kos sel-sel ini dipengaruhi terutamanya oleh proses pembuatan, yang merangkumi langkah-langkah seperti penuangan jongkong, penghirisan wafer, resapan, penteksturan, percetakan skrin dan pensinteran. Sel suria yang dihasilkan melalui proses konvensional ini biasanya mencapai kecekapan penukaran fotoelektrik sebanyak 16-18%.
Sel solar silikon monokristalin mempunyai kecekapan penukaran tertinggi tetapi juga yang paling mahal. Sel solar silikon polikristalin menawarkan pengurangan kos yang baik dengan mengeluarkan jongkong silikon segi empat sama bersaiz besar secara langsung yang sesuai untuk pengeluaran besar-besaran. Proses ini lebih mudah, menjimatkan kuasa, menjimatkan bahan silikon dan memerlukan kualiti bahan yang lebih rendah.
Mengurangkan kos sel solar boleh dicapai melalui dua strategi utama: mengurangkan penggunaan bahan (contohnya, mengurangkan ketebalan wafer silikon) dan meningkatkan kecekapan penukaran. Kaedah untuk meningkatkan kecekapan termasuk meningkatkan penyerapan cahaya (contohnya, penekstur permukaan, salutan anti-reflektif, mengurangkan lebar elektrod hadapan), mengurangkan penggabungan semula pembawa fotojana (contohnya, pempasifan pemancar), dan meminimumkan rintangan (contohnya, doping setempat, teknologi medan permukaan belakang).
Kecekapan penukaran tertinggi yang direkodkan untuk sel solar silikon monokristalin ialah 24.7%, yang dicapai oleh sel solar struktur PERL dari Universiti New South Wales. Ciri-ciri teknologi utama termasuk kepekatan doping fosforus yang rendah pada permukaan silikon untuk mengurangkan penggabungan semula permukaan, resapan berkepekatan tinggi di bawah elektrod permukaan hadapan dan belakang untuk membentuk sentuhan ohmik yang baik, dan penggunaan fotolitografi untuk menyempitkan elektrod permukaan hadapan, meningkatkan kawasan penyerapan cahaya. Walau bagaimanapun, teknologi ini masih belum diindustrialisasikan.
Teknik lain untuk meningkatkan kecekapan termasuk sel bertekstur beralur permukaan BP Solar dan teknologi sentuhan belakang (EWT). Yang pertama mencapai kecekapan sebanyak 18.3% melalui alur laser, yang mengurangkan lebar elektrod hadapan dan meningkatkan penyerapan cahaya. Yang kedua mencapai kecekapan sebanyak 21.3% dengan membawa elektrod hadapan ke belakang, meningkatkan kawasan penyerapan cahaya.
Sel Suria Filem Nipis
Walaupun sel solar silikon kristal mendominasi kerana kecekapannya yang tinggi, mengurangkan kosnya dengan ketara adalah mencabar kerana harga bahan silikon yang tinggi. Sel solar filem nipis, yang menggunakan kurang bahan, telah muncul sebagai alternatif yang kos efektif. Jenis utama sel filem nipis termasuk sel filem nipis berasaskan silikon, sel kadmium telluride (CdTe), dan sel kuprum indium galium selenide (CIGS).
Sel filem nipis berasaskan silikon hanya setebal 2 mikrometer, menggunakan kira-kira 1.5% daripada bahan silikon yang diperlukan untuk sel silikon kristal. Bergantung pada bilangan simpang PN, sel-sel ini boleh menjadi simpang tunggal, simpang berganda atau simpang berbilang, setiap satunya mampu menyerap panjang gelombang cahaya matahari yang berbeza. Kecekapan tertinggi untuk sel simpang tunggal adalah sekitar 7%, manakala sel simpang berganda boleh mencapai 10%.
Sel filem nipis CdTe menawarkan kecekapan yang lebih tinggi (sehingga 12%) disebabkan oleh sifat penyerapan cahaya yang baik. Walau bagaimanapun, sifat karsinogenik kadmium dan rizab semula jadi telurium yang terhad menimbulkan cabaran pembangunan jangka panjang.
Sel filem nipis CIGS dianggap sebagai masa depan teknologi filem nipis berkecekapan tinggi. Dengan melaraskan proses pembuatan, penyerapan cahayanya dapat ditingkatkan, yang membawa kepada kecekapan penukaran yang lebih tinggi. Pada masa ini, kecekapan makmal mencapai 20.1%, manakala produk komersial mencapai 13-14%, menjadikannya yang paling cekap di kalangan sel filem nipis.
Sel Generasi Ketiga
Secara teorinya, sel generasi ketiga boleh mencapai kecekapan penukaran yang tinggi. Kecuali HCPV, kebanyakannya masih dalam peringkat penyelidikan. Sel HCPV biasanya menggunakan bahan semikonduktor III-V, yang mempunyai rintangan haba yang lebih tinggi dan mengekalkan kecekapan penukaran yang tinggi di bawah pencahayaan yang tinggi. Struktur berbilang simpang membolehkan sel-sel ini sepadan dengan spektrum solar dengan teliti, dengan kecekapan teori sehingga 68%. Pengeluaran komersial boleh mencapai kecekapan melebihi 40%.
Sel solar dikapsulkan ke dalam modul, dan aplikasinya bergantung pada ciri dan permintaan pasarannya. Aplikasi awal termasuk stesen pangkalan komunikasi dan satelit, kemudian berkembang ke kawasan perumahan seperti bumbung solar. Dalam senario ini, kawasan pemasangan yang terhad dan keperluan ketumpatan tenaga yang tinggi mengutamakan modul silikon kristal. Dengan pembangunan loji kuasa solar berskala besar dan fotovoltaik bersepadu bangunan (BIPV), pertimbangan kos telah membawa kepada peningkatan aplikasi sel filem nipis. Keadaan persekitaran dan iklim juga mempengaruhi penggunaan teknologi yang berbeza.
Aplikasi Teknologi Fotovoltaik Suria
Menukar sinaran suria kepada elektrik yang boleh digunakan memerlukan sistem PV solar yang lengkap. Sel PV solar membentuk asas sistem ini, yang turut merangkumi penyongsang, bateri, sistem pemantauan dan sistem pengedaran.
Pengelasan dan Komposisi Sistem PV
Sistem PV solar dikelaskan sebagai luar grid atau terikat grid. Sistem luar grid boleh berdiri sendiri atau hibrid.
Sistem kendiri biasanya digunakan di kawasan terpencil, stesen pangkalan komunikasi dan lampu jalan solar, yang bergantung sepenuhnya pada tenaga solar. Ia termasuk modul solar, penyongsang, pengawal, bateri, sistem pengedaran dan perlindungan kilat. Bateri dan pengawal memberi kesan yang ketara kepada kos dan jangka hayat sistem. Sistem hibrid menggabungkan tenaga solar dengan sumber lain seperti penjana diesel atau turbin angin.
Sistem grid-tied, yang biasa digunakan untuk bumbung solar dan loji janakuasa PV berskala besar, tidak memerlukan peralatan penyimpanan, sekali gus mengurangkan kos. Sistem ini termasuk modul solar, inverter, sistem pengedaran, perlindungan kilat dan sistem pemantauan. Pada masa ini, sistem grid-tied menyumbang 80% daripada semua aplikasi solar.
Teknologi Penjanaan Kuasa PV Lain
Selain teknologi sel PV solar, teknologi inverter, penyepaduan grid, penyimpanan dan pemantauan pintar adalah penting untuk sistem penjanaan kuasa PV:
Kuasa output sel solar berbeza-beza mengikut keamatan sinaran suria, menyebabkan sekejap-sekejap. Integrasi grid berskala besar boleh memberi kesan kepada grid, menjadikan kawalan grid dan perlindungan pulau adalah penting.
Output modul solar ialah arus terus (DC), yang memerlukan penukaran berkualiti tinggi kepada arus ulang-alik (AC) melalui penyongsang.
Output kuasa modul boleh dipengaruhi oleh faktor seperti suhu dan teduhan, yang memerlukan pemantauan sistem dan sistem penggera.
Teknologi kawalan jauh adalah penting untuk loji janakuasa PV di kawasan terpencil.
China menerajui pengeluaran modul solar dari segi kualiti dan skala. Bidang keuntungan tinggi dalam rantaian industri termasuk penulenan silikon, penyongsang, sistem pemantauan dan pembuatan peralatan PV. Mencapai kejayaan dalam bidang utama ini merupakan satu cabaran bagi industri PV China.
Status Semasa dan Prospek Masa Depan Penjanaan Kuasa Solar PV
Disebabkan kos yang tinggi, penjanaan kuasa solar PV tidak menyaksikan pembangunan berskala besar sehingga akhir abad yang lalu. Memasuki abad ke-21, dengan kecekapan yang lebih baik dan kos yang semakin berkurangan dengan cepat, penjanaan kuasa solar PV telah mengalami pertumbuhan pesat, dengan kapasiti terpasang meningkat setiap tahun. Kapasiti terpasang tahunan global meningkat daripada 1.4 GW pada tahun 2000 kepada 22.8 GW pada tahun 2009. Negara-negara Eropah seperti Jerman, Itali dan Sepanyol merupakan pasaran utama, dengan EU merancang untuk meningkatkan bahagian kuasa solar kepada 12% daripada jumlah bekalan elektrik menjelang 2020. Negara-negara membangun seperti China dan India juga telah melancarkan rancangan pembangunan solar. Selain stesen pangkalan komunikasi, bumbung solar dan loji kuasa PV, penjanaan kuasa solar PV kini digunakan secara meluas dalam pelbagai peranti mudah alih.
Sebagai sumber tenaga tambahan dan alternatif, teknologi solar PV sedang berkembang pesat, dengan kos penjanaan yang semakin berkurangan. Dengan kemajuan teknologi yang berterusan, tenaga solar, sebagai sumber yang bersih dan boleh diperbaharui, bersedia untuk menjadi sumber tenaga utama untuk pembangunan mampan.
