Благодаря технологическому прогрессу и масштабированию отрасли, стоимость производства электроэнергии с помощью фотоэлектрических (ФЭ) систем продолжает снижаться, что делает их ключевым источником энергии для устойчивого развития в будущем.
Ключевые компоненты фотоэлектрической технологии
Ключевым компонентом технологии выработки электроэнергии с помощью фотоэлектрических элементов является солнечный фотоэлектрический элемент. Эволюцию солнечных фотоэлектрических элементов можно разделить на три поколения. Первое поколение включает кремниевые солнечные элементы; второе поколение – тонкопленочные солнечные элементы; а третье поколение охватывает новые технологии, такие как высококонцентрированные фотоэлектрические элементы (HCPV), органические солнечные элементы, гибкие солнечные элементы и солнечные элементы с красителем-сенсибилизатором. В настоящее время на рынке доминируют кремниевые солнечные элементы, в то время как тонкопленочные элементы постепенно завоевывают рыночную долю. Большинство элементов третьего поколения, за исключением HCPV, все еще находятся на стадии исследований.
Солнечные элементы на основе кремния
Среди кремниевых солнечных элементов наиболее зрелой является технология монокристаллического кремния. Эффективность и стоимость этих элементов в основном зависят от процесса производства, который включает такие этапы, как литье слитков, нарезка пластин, диффузия, текстурирование, трафаретная печать и спекание. Солнечные элементы, произведенные с помощью этого традиционного процесса, обычно достигают эффективности фотоэлектрического преобразования в 16-18%.
Монокристаллические кремниевые солнечные элементы обладают самой высокой эффективностью преобразования, но при этом и самыми дорогими. Поликристаллические кремниевые солнечные элементы позволяют значительно снизить затраты за счет прямого производства крупных квадратных кремниевых слитков, пригодных для массового производства. Этот процесс проще, экономит электроэнергию, сокращает расход кремниевого материала и требует материалов более низкого качества.
Снижение стоимости солнечных элементов может быть достигнуто с помощью двух основных стратегий: уменьшения расхода материалов (например, уменьшения толщины кремниевой пластины) и повышения эффективности преобразования. Методы повышения эффективности включают увеличение поглощения света (например, текстурирование поверхности, антиотражающее покрытие, уменьшение ширины переднего электрода), уменьшение рекомбинации фотогенерированных носителей (например, пассивация эмиттера) и минимизацию сопротивления (например, локализованное легирование, технология поля на задней поверхности).
Наивысшая зарегистрированная эффективность преобразования для монокристаллических кремниевых солнечных элементов составляет 24,7%, достигнутая солнечным элементом со структурой PERL, разработанным в Университете Нового Южного Уэльса. Ключевые технологические особенности включают низкую концентрацию легирования фосфором на поверхности кремния для уменьшения поверхностной рекомбинации, высокую концентрацию диффузии под передними и задними электродами для формирования хороших омических контактов, а также использование фотолитографии для сужения передних электродов, увеличивая площадь поглощения света. Однако эта технология еще не внедрена в промышленность.
К другим методам повышения эффективности относятся текстурированные поверхности ячеек с канавками от BP Solar и технология задних контактов (EWT). Первая обеспечивает КПД 18,3% за счет лазерной обработки канавок, которая уменьшает ширину передних электродов и увеличивает поглощение света. Вторая обеспечивает КПД 21,3% за счет перемещения передних электродов на заднюю сторону, увеличивая площадь поглощения света.
Тонкопленочные солнечные элементы
Хотя кристаллические кремниевые солнечные элементы доминируют благодаря своей высокой эффективности, значительное снижение их стоимости затруднено из-за высокой цены кремниевого материала. Тонкопленочные солнечные элементы, использующие меньше материала, стали экономически выгодной альтернативой. Основные типы тонкопленочных элементов включают кремниевые тонкопленочные элементы, элементы на основе теллурида кадмия (CdTe) и элементы на основе селенида меди-индия-галлия (CIGS).
Тонкопленочные кремниевые ячейки имеют толщину всего 2 микрометра, что составляет примерно 1,5% от количества кремния, необходимого для ячеек из кристаллического кремния. В зависимости от количества PN-переходов эти ячейки могут быть однопереходными, двухпереходными или многопереходными, каждая из которых способна поглощать разные длины волн солнечного света. Максимальная эффективность для однопереходных ячеек составляет около 7%, в то время как двухпереходные ячейки могут достигать 10%.
Тонкопленочные элементы на основе CdTe обладают более высокой эффективностью (до 12%) благодаря хорошим светопоглощающим свойствам. Однако канцерогенная природа кадмия и ограниченные природные запасы теллура создают долгосрочные проблемы для их разработки.
Тонкопленочные элементы CIGS считаются будущим высокоэффективных тонкопленочных технологий. Путем корректировки производственного процесса можно улучшить поглощение света, что приводит к повышению эффективности преобразования. В настоящее время эффективность в лабораторных условиях достигает 20,1%, а в коммерческих продуктах — 13-14%, что делает их самыми эффективными среди тонкопленочных элементов.
Клетки третьего поколения
Теоретически, элементы третьего поколения могут достигать высокой эффективности преобразования. За исключением HCPV, большинство из них все еще находятся на стадии исследований. В элементах HCPV обычно используются полупроводниковые материалы III-V группы, которые обладают более высокой термостойкостью и сохраняют высокую эффективность преобразования при высокой освещенности. Многослойные структуры позволяют этим элементам точно соответствовать солнечному спектру, достигая теоретической эффективности до 68%. В коммерческом производстве эффективность может превышать 40%.
Солнечные элементы заключаются в модули, и их применение зависит от их характеристик и рыночных требований. Первоначально они использовались в базовых станциях связи и спутниках, а позже распространились на жилые районы, например, на солнечные батареи на крышах. В этих сценариях ограниченные площади установки и высокие потребности в плотности энергии способствовали использованию модулей из кристаллического кремния. С развитием крупномасштабных солнечных электростанций и интегрированных в здания фотоэлектрических систем (BIPV) соображения стоимости привели к расширению применения тонкопленочных элементов. Экологические и климатические условия также влияют на внедрение различных технологий.
Применение солнечных фотоэлектрических технологий
Для преобразования солнечного излучения в полезную электроэнергию необходима полноценная солнечная фотоэлектрическая система. Солнечные фотоэлектрические элементы составляют основу этой системы, которая также включает инверторы, батареи, системы мониторинга и распределительные системы.
Классификация и состав фотоэлектрических систем
Солнечные фотоэлектрические системы классифицируются как автономные или подключенные к сети. Автономные системы могут быть как автономными, так и гибридными.
Автономные системы обычно используются в отдаленных районах, на базовых станциях связи и в солнечных уличных фонарях, полностью полагаясь на солнечную энергию. Они включают солнечные модули, инверторы, контроллеры, батареи, распределительные системы и молниезащиту. Батареи и контроллеры существенно влияют на стоимость и срок службы системы. Гибридные системы сочетают солнечную энергию с другими источниками, такими как дизельные генераторы или ветряные турбины.
Системы, подключенные к сети, широко используемые для солнечных электростанций на крышах и крупных фотоэлектрических электростанций, не требуют накопительного оборудования, что снижает затраты. Эти системы включают солнечные модули, инверторы, распределительные системы, системы молниезащиты и системы мониторинга. В настоящее время на системы, подключенные к сети, приходится 80% всех солнечных электростанций.
Другие технологии выработки солнечной энергии
Помимо технологий солнечных фотоэлектрических элементов, для систем выработки электроэнергии на основе фотоэлектрических элементов крайне важны технологии инверторов, интеграция в сеть, системы хранения энергии и интеллектуальный мониторинг:
Выходная мощность солнечных батарей изменяется в зависимости от интенсивности солнечного излучения, что приводит к нестабильности. Крупномасштабная интеграция в энергосистему может повлиять на ее работу, поэтому управление энергосистемой и защита от автономного режима имеют важное значение.
Выходной ток солнечного модуля — постоянный (DC), поэтому требуется высококачественное преобразование в переменный ток (AC) с помощью инверторов.
На выходную мощность модуля могут влиять такие факторы, как температура и затенение, что требует наличия систем мониторинга и сигнализации.
Технология дистанционного управления имеет жизненно важное значение для фотоэлектрических электростанций, расположенных в отдаленных районах.
Китай лидирует в производстве солнечных модулей по качеству и масштабам. К высокодоходным направлениям в производственной цепочке относятся очистка кремния, инверторы, системы мониторинга и производство фотоэлектрического оборудования. Достижение прорывов в этих ключевых областях является сложной задачей для китайской фотоэлектрической промышленности.
Текущее состояние и перспективы развития солнечной фотоэлектрической энергетики.
Из-за высоких затрат солнечная фотоэлектрическая энергетика не получила широкого развития до конца прошлого века. В начале XXI века, благодаря повышению эффективности и быстрому снижению затрат, солнечная фотоэлектрическая энергетика пережила стремительный рост, при этом установленная мощность ежегодно увеличивается. Глобальная годовая установленная мощность выросла с 1,4 ГВт в 2000 году до 22,8 ГВт в 2009 году. Европейские страны, такие как Германия, Италия и Испания, являются основными рынками, при этом ЕС планирует увеличить долю солнечной энергии до 12% от общего объема электроснабжения к 2020 году. Развивающиеся страны, такие как Китай и Индия, также запустили планы развития солнечной энергетики. Помимо базовых станций связи, солнечных крыш и фотоэлектрических электростанций, солнечная фотоэлектрическая энергия теперь широко используется в различных мобильных устройствах.
Солнечные фотоэлектрические технологии, как дополнительный и альтернативный источник энергии, быстро развиваются, при этом снижаются затраты на их производство. Благодаря постоянному технологическому прогрессу, солнечная энергия, как чистый и возобновляемый ресурс, готова стать ключевым источником энергии для устойчивого развития.
