Odată cu progresele tehnologice și extinderea industriei, costul generării de energie fotovoltaică (PV) continuă să scadă, poziționând-o ca o sursă esențială de energie pentru dezvoltarea durabilă în viitor.
Componentele cheie ale tehnologiei fotovoltaice
Componenta principală a tehnologiei de generare a energiei fotovoltaice este celula solară fotovoltaică. Evoluția celulelor solare fotovoltaice poate fi clasificată în trei generații. Prima generație constă în celule solare pe bază de siliciu; a doua generație include celule solare cu peliculă subțire; iar a treia generație cuprinde noi tehnologii, cum ar fi celulele fotovoltaice de înaltă concentrație (HCPV), celulele solare organice, celulele solare flexibile și celulele solare sensibilizate cu coloranți. În prezent, celulele solare pe bază de siliciu domină piața, în timp ce celulele cu peliculă subțire câștigă treptat cotă de piață. Majoritatea celulelor din a treia generație, cu excepția HCPV, se află încă în faza de cercetare.
Celule solare pe bază de siliciu
Printre celulele solare pe bază de siliciu, tehnologia siliciului monocristalin este cea mai matură. Eficiența și costul acestor celule sunt influențate în primul rând de procesul de fabricație, care include etape precum turnarea lingourilor, felierea napolitanelor, difuzia, texturarea, serigrafia și sinterizarea. Celulele solare produse prin acest proces convențional ating de obicei o eficiență de conversie fotoelectrică de 16-18%.
Celulele solare din siliciu monocristalin au cea mai mare eficiență de conversie, dar sunt și cele mai scumpe. Celulele solare din siliciu policristalin oferă o reducere semnificativă a costurilor prin fabricarea directă a lingourilor de siliciu pătrate de dimensiuni mari, potrivite pentru producția de masă. Acest proces este mai simplu, economisește energie, conservă siliciul și necesită o calitate mai scăzută a materialului.
Reducerea costului celulelor solare poate fi realizată prin două strategii principale: scăderea consumului de materiale (de exemplu, reducerea grosimii plachetei de siliciu) și creșterea eficienței conversiei. Metodele de îmbunătățire a eficienței includ creșterea absorbției luminii (de exemplu, texturarea suprafeței, acoperirea antireflexie, reducerea lățimii electrodului frontal), reducerea recombinării purtătorilor fotogenerați (de exemplu, pasivarea emițătorului) și minimizarea rezistenței (de exemplu, doparea localizată, tehnologia câmpului de suprafață din spate).
Cea mai mare eficiență de conversie înregistrată pentru celulele solare din siliciu monocristalin este de 24,7%, atinsă de celula solară cu structură PERL de la Universitatea din New South Wales. Caracteristicile tehnologice cheie includ o concentrație scăzută de dopare a fosforului pe suprafața siliciului pentru a reduce recombinarea suprafeței, difuzie cu concentrație ridicată sub electrozii de suprafață frontală și posterioară pentru a forma contacte ohmice bune și utilizarea fotolitografiei pentru a îngusta electrozii de suprafață frontală, crescând zona de absorbție a luminii. Cu toate acestea, această tehnologie nu a fost încă industrializată.
Alte tehnici de îmbunătățire a eficienței includ celulele texturate cu caneluri la suprafață și tehnologia de contact din spate (EWT) de la BP Solar. Prima atinge o eficiență de 18,3% prin canelurare cu laser, care reduce lățimea electrozilor frontali și crește absorbția luminii. Cea de-a doua atinge o eficiență de 21,3% prin aducerea electrozilor frontali în spate, mărind suprafața de absorbție a luminii.
Celule solare cu peliculă subțire
Deși celulele solare din siliciu cristalin domină datorită eficienței lor ridicate, reducerea semnificativă a costului acestora este o provocare din cauza prețului ridicat al materialului siliciu. Celulele solare cu peliculă subțire, care utilizează mai puțin material, au apărut ca o alternativă rentabilă. Principalele tipuri de celule cu peliculă subțire includ celulele cu peliculă subțire pe bază de siliciu, celulele cu telurură de cadmiu (CdTe) și celulele cu selenură de cupru, indiu, galiu (CIGS).
Celulele cu peliculă subțire pe bază de siliciu au o grosime de doar 2 micrometri, utilizând aproximativ 1,5% din materialul de siliciu necesar pentru celulele de siliciu cristalin. În funcție de numărul de joncțiuni PN, aceste celule pot fi cu joncțiune simplă, cu joncțiune dublă sau cu joncțiune multiplă, fiecare capabilă să absoarbă diferite lungimi de undă ale luminii solare. Cea mai mare eficiență pentru celulele cu joncțiune simplă este de aproximativ 7%, în timp ce celulele cu joncțiune dublă pot ajunge la 10%.
Celulele cu peliculă subțire de CdTe oferă o eficiență mai mare (până la 12%) datorită proprietăților lor bune de absorbție a luminii. Cu toate acestea, natura cancerigenă a cadmiului și rezervele naturale limitate de telur prezintă provocări de dezvoltare pe termen lung.
Celulele cu peliculă subțire CIGS sunt considerate viitorul tehnologiei cu peliculă subțire de înaltă eficiență. Prin ajustarea procesului de fabricație, absorbția luminii lor poate fi îmbunătățită, ceea ce duce la eficiențe de conversie mai mari. În prezent, eficiențele de laborator ajung la 20,1%, în timp ce produsele comerciale ating 13-14%, ceea ce le face cele mai eficiente dintre celulele cu peliculă subțire.
Celule de a treia generație
Teoretic, celulele de a treia generație pot atinge eficiențe de conversie ridicate. Cu excepția HCPV, majoritatea sunt încă în stadiul de cercetare. Celulele HCPV utilizează de obicei materiale semiconductoare III-V, care au o rezistență mai mare la căldură și mențin o eficiență de conversie ridicată în condiții de iluminare intensă. Structurile cu joncțiune multiplă permit acestor celule să se potrivească îndeaproape cu spectrul solar, cu eficiențe teoretice de până la 68%. Producția comercială poate atinge eficiențe de peste 40%.
Celulele solare sunt încapsulate în module, iar aplicațiile lor depind de caracteristicile și cerințele pieței. Aplicațiile timpurii au inclus stații de bază pentru comunicații și sateliți, extinzându-se ulterior în zone rezidențiale, cum ar fi acoperișurile solare. În aceste scenarii, zonele de instalare limitate și nevoile de densitate energetică ridicată au favorizat modulele de siliciu cristalin. Odată cu dezvoltarea centralelor solare la scară largă și a fotovoltaicelor integrate în clădiri (BIPV), considerațiile legate de costuri au condus la creșterea aplicațiilor celulelor cu peliculă subțire. Condițiile de mediu și climatice influențează, de asemenea, adoptarea diferitelor tehnologii.
Aplicații ale tehnologiei solare fotovoltaice
Conversia radiației solare în electricitate utilizabilă necesită un sistem fotovoltaic solar complet. Celulele fotovoltaice solare formează baza acestui sistem, care include și invertoare, baterii, sisteme de monitorizare și sisteme de distribuție.
Clasificarea și compoziția sistemului fotovoltaic
Sistemele solare fotovoltaice sunt clasificate fie ca fiind independente de rețea, fie conectate la rețea. Sistemele independente de rețea pot fi independente sau hibride.
Sistemele independente sunt de obicei utilizate în zone îndepărtate, stații de bază de comunicații și iluminat stradal solar, bazându-se în întregime pe energia solară. Acestea includ module solare, invertoare, controlere, baterii, sisteme de distribuție și protecție la trăsnet. Bateriile și controlerele au un impact semnificativ asupra costului și duratei de viață a sistemului. Sistemele hibride combină energia solară cu alte surse, cum ar fi generatoarele diesel sau turbinele eoliene.
Sistemele conectate la rețea, utilizate în mod obișnuit pentru acoperișurile solare și centralele fotovoltaice de mari dimensiuni, nu necesită echipamente de stocare, reducând costurile. Aceste sisteme includ module solare, invertoare, sisteme de distribuție, protecție la trăsnet și sisteme de monitorizare. În prezent, sistemele conectate la rețea reprezintă 80% din toate aplicațiile solare.
Alte tehnologii de generare a energiei fotovoltaice
Pe lângă tehnologia celulelor solare fotovoltaice, tehnologia invertoarelor, integrarea în rețea, stocarea și monitorizarea inteligentă sunt cruciale pentru sistemele de generare a energiei fotovoltaice:
Puterea de ieșire a celulelor solare variază în funcție de intensitatea radiației solare, provocând intermitență. Integrarea rețelei la scară largă poate avea un impact asupra rețelei, ceea ce face ca controlul rețelei și protecția împotriva insulării să fie esențiale.
Ieșirea modulului solar este în curent continuu (CC), necesitând o conversie de înaltă calitate în curent alternativ (CA) prin intermediul invertoarelor.
Puterea de ieșire a modulului poate fi afectată de factori precum temperatura și umbrirea, necesitând monitorizarea sistemului și sisteme de alarmă.
Tehnologia de control de la distanță este vitală pentru centralele fotovoltaice din zonele îndepărtate.
China este lider în producția de module solare în ceea ce privește calitatea și scara. Domeniile cu profit ridicat din cadrul lanțului industrial includ purificarea siliciului, invertoarele, sistemele de monitorizare și fabricarea de echipamente fotovoltaice. Realizarea de progrese în aceste domenii cheie reprezintă o provocare pentru industria fotovoltaică din China.
Starea actuală și perspectivele de viitor ale generării de energie solară fotovoltaică
Din cauza costurilor ridicate, generarea de energie solară fotovoltaică nu a cunoscut o dezvoltare la scară largă până la sfârșitul secolului trecut. Intrând în secolul XXI, cu o eficiență îmbunătățită și o scădere rapidă a costurilor, generarea de energie solară fotovoltaică a cunoscut o creștere rapidă, capacitatea instalată crescând anual. Capacitatea instalată anuală la nivel global a crescut de la 1,4 GW în 2000 la 22,8 GW în 2009. Țări europene precum Germania, Italia și Spania sunt piețe majore, UE planificând să crească ponderea energiei solare la 12% din totalul furnizării de energie electrică până în 2020. Țări în curs de dezvoltare precum China și India au lansat, de asemenea, planuri de dezvoltare solară. Dincolo de stațiile de bază de comunicații, acoperișurile solare și centralele fotovoltaice, generarea de energie solară fotovoltaică este acum utilizată pe scară largă în diverse dispozitive mobile.
Ca sursă suplimentară și alternativă de energie, tehnologia solară fotovoltaică se dezvoltă rapid, cu costuri de generare în scădere. Odată cu progresele tehnologice continue, energia solară, ca resursă curată și regenerabilă, este pe cale să devină o sursă cheie de energie pentru dezvoltarea durabilă.
