S tehnološkim napredkom in rastjo industrije se stroški proizvodnje fotovoltaične (PV) energije še naprej znižujejo, zaradi česar postane ključni vir energije za trajnostni razvoj v prihodnosti.
Ključne komponente fotovoltaične tehnologije
Osrednja komponenta tehnologije za proizvodnjo fotonapetostne energije so sončne celice. Razvoj sončnih celic lahko razdelimo v tri generacije. Prvo generacijo sestavljajo sončne celice na osnovi silicija, drugo generacijo sestavljajo tankoplastne sončne celice, tretja generacija pa zajema nove tehnologije, kot so visokokoncentracijske fotonapetostne celice (HCPV), organske sončne celice, fleksibilne sončne celice in sončne celice, občutljive na barvilo. Trenutno na trgu prevladujejo sončne celice na osnovi silicija, medtem ko tankoplastne celice postopoma pridobivajo tržni delež. Večina celic tretje generacije, razen HCPV, je še vedno v fazi raziskav.
Sončne celice na osnovi silicija
Med sončnimi celicami na osnovi silicija je tehnologija monokristalnega silicija najbolj zrela. Na učinkovitost in stroške teh celic vpliva predvsem proizvodni proces, ki vključuje korake, kot so litje ingotov, rezanje rezin, difuzija, teksturiranje, sitotisk in sintranje. Sončne celice, izdelane s tem konvencionalnim postopkom, običajno dosegajo izkoristek fotoelektrične pretvorbe 16–18 %.
Monokristalne silicijeve sončne celice imajo najvišjo učinkovitost pretvorbe, vendar so tudi najdražje. Polikristalne silicijeve sončne celice ponujajo dobro znižanje stroškov z neposredno izdelavo velikih kvadratnih silicijevih ingotov, primernih za množično proizvodnjo. Ta postopek je enostavnejši, prihrani energijo, ohrani silicijev material in zahteva nižjo kakovost materiala.
Znižanje stroškov sončnih celic je mogoče doseči z dvema glavnima strategijama: zmanjšanjem porabe materiala (npr. zmanjšanjem debeline silicijeve rezine) in povečanjem učinkovitosti pretvorbe. Metode za povečanje učinkovitosti vključujejo povečanje absorpcije svetlobe (npr. teksturiranje površine, antirefleksni premaz, zmanjšanje širine sprednje elektrode), zmanjšanje rekombinacije fotogeneriranih nosilcev (npr. pasivizacija emitorja) in zmanjšanje upornosti (npr. lokalizirano dopiranje, tehnologija polja na zadnji površini).
Najvišja zabeležena učinkovitost pretvorbe za monokristalne silicijeve sončne celice je 24,7 %, kar je dosegla sončna celica s strukturo PERL z Univerze v Novem Južnem Walesu. Ključne tehnološke značilnosti vključujejo nizko koncentracijo dopiranja s fosforjem na silicijevi površini za zmanjšanje površinske rekombinacije, visoko koncentrirano difuzijo pod sprednjimi in zadnjimi površinskimi elektrodami za oblikovanje dobrih ohmskih stikov in uporabo fotolitografije za zoženje sprednjih površinskih elektrod, s čimer se poveča površina absorpcije svetlobe. Vendar pa ta tehnologija še ni industrializirana.
Druge tehnike za izboljšanje učinkovitosti vključujejo BP Solarjeve celice s površinsko žlebljenimi teksturami in tehnologijo zadnjega stika (EWT). Prva doseže učinkovitost 18,3 % z laserskim žlebljenjem, ki zmanjša širino sprednjih elektrod in poveča absorpcijo svetlobe. Druga doseže učinkovitost 21,3 % z zamikom sprednjih elektrod nazaj, kar poveča površino, ki absorbira svetlobo.
Tankoplastne sončne celice
Čeprav kristalne silicijeve sončne celice prevladujejo zaradi visoke učinkovitosti, je znatno znižanje njihovih stroškov izziv zaradi visoke cene silicijevega materiala. Tankoplastne sončne celice, ki porabijo manj materiala, so se pojavile kot stroškovno učinkovita alternativa. Glavne vrste tankoplastnih celic vključujejo tankoplastne celice na osnovi silicija, celice iz kadmijevega telurida (CdTe) in celice iz bakrovega indijevega galijevega selenida (CIGS).
Tankoplastne celice na osnovi silicija so debele le 2 mikrometra, pri čemer porabijo približno 1,5 % silicijevega materiala, potrebnega za kristalne silicijeve celice. Glede na število PN-stikov so lahko te celice enostične, dvojne ali večstične, pri čemer je vsaka sposobna absorbirati različne valovne dolžine sončne svetlobe. Najvišja učinkovitost enostičnih celic je približno 7 %, medtem ko lahko dvojne celice dosežejo 10 %.
Tankoplastne celice CdTe ponujajo večjo učinkovitost (do 12 %) zaradi dobrih lastnosti absorpcije svetlobe. Vendar pa kancerogena narava kadmija in omejene naravne zaloge telurja predstavljajo dolgoročne razvojne izzive.
Tankoplastne celice CIGS veljajo za prihodnost visoko učinkovite tehnologije tankih filmov. S prilagoditvijo proizvodnega procesa je mogoče izboljšati njihovo absorpcijo svetlobe, kar vodi do večje učinkovitosti pretvorbe. Trenutno laboratorijska učinkovitost dosega 20,1 %, medtem ko komercialni izdelki dosegajo 13–14 %, zaradi česar so najučinkovitejše med tankoplastnimi celicami.
Celice tretje generacije
Teoretično lahko celice tretje generacije dosežejo visoko učinkovitost pretvorbe. Razen HCPV je večina še vedno v fazi raziskav. Celice HCPV običajno uporabljajo polprevodniške materiale III-V, ki imajo večjo toplotno odpornost in ohranjajo visoko učinkovitost pretvorbe pri visoki osvetlitvi. Večspojne strukture omogočajo tem celicam, da se natančno ujemajo s sončnim spektrom, s teoretično učinkovitostjo do 68 %. Komercialna proizvodnja lahko doseže učinkovitost nad 40 %.
Sončne celice so vgrajene v module, njihova uporaba pa je odvisna od njihovih značilnosti in povpraševanja na trgu. Zgodnje uporabe so vključevale komunikacijske bazne postaje in satelite, kasneje pa so se razširile na stanovanjska območja, kot so sončne strehe. V teh scenarijih so omejena območja namestitve in potrebe po visoki gostoti energije dajale prednost modulom iz kristalnega silicija. Z razvojem velikih sončnih elektrarn in fotovoltaike, integrirane v stavbe (BIPV), so stroškovni vidiki privedli do povečane uporabe tankoplastnih celic. Na sprejemanje različnih tehnologij vplivajo tudi okoljski in podnebni pogoji.
Uporaba sončne fotovoltaične tehnologije
Pretvorba sončnega sevanja v uporabno električno energijo zahteva celovit sončni fotonapetostni sistem. Sončne fotonapetostne celice so osnova tega sistema, ki vključuje tudi razsmernike, baterije, nadzorne sisteme in distribucijske sisteme.
Klasifikacija in sestava PV sistemov
Sončne fotonapetostne sisteme razvrščamo kot avtonomne ali omrežno vezane. Avtonomni sistemi so lahko samostojni ali hibridni.
Samostojni sistemi se običajno uporabljajo na oddaljenih območjih, v komunikacijskih baznih postajah in pri sončni ulični razsvetljavi, pri čemer se v celoti zanašajo na sončno energijo. Vključujejo sončne module, razsmernike, krmilnike, baterije, distribucijske sisteme in zaščito pred strelo. Baterije in krmilniki pomembno vplivajo na stroške in življenjsko dobo sistema. Hibridni sistemi združujejo sončno energijo z drugimi viri, kot so dizelski generatorji ali vetrne turbine.
Sistemi, vezani na omrežje, ki se pogosto uporabljajo za sončne strehe in velike sončne elektrarne, ne potrebujejo opreme za shranjevanje, kar zmanjšuje stroške. Ti sistemi vključujejo sončne module, razsmernike, distribucijske sisteme, zaščito pred strelo in sisteme za spremljanje. Trenutno sistemi, vezani na omrežje, predstavljajo 80 % vseh sončnih aplikacij.
Druge tehnologije za proizvodnjo sončne energije
Poleg tehnologije sončnih celic so za sisteme za proizvodnjo energije iz fotonapetostnih sistemov ključnega pomena tudi tehnologija razsmernikov, integracija v omrežje, shranjevanje energije in inteligentno spremljanje:
Izhodna moč sončnih celic se spreminja glede na intenzivnost sončnega sevanja, kar povzroča prekinitve. Integracija v omrežje v velikem obsegu lahko vpliva na omrežje, zato sta nadzor omrežja in zaščita pred otočnim delovanjem bistvena.
Izhod sončnih modulov je enosmerni tok (DC), ki zahteva visokokakovostno pretvorbo v izmenični tok (AC) prek razsmernikov.
Na izhodno moč modula lahko vplivajo dejavniki, kot sta temperatura in senčenje, kar zahteva nadzor sistema in alarmne sisteme.
Tehnologija daljinskega upravljanja je ključnega pomena za sončne elektrarne na oddaljenih območjih.
Kitajska je vodilna v proizvodnji sončnih modulov glede na kakovost in obseg. Visoko dobičkonosna področja znotraj industrijske verige vključujejo čiščenje silicija, razsmernike, nadzorne sisteme in proizvodnjo fotonapetostne opreme. Doseganje prebojev na teh ključnih področjih je izziv za kitajsko fotonapetostno industrijo.
Trenutno stanje in prihodnje možnosti za proizvodnjo sončne energije
Zaradi visokih stroškov se proizvodnja sončne energije v velikem obsegu ni razvila vse do konca prejšnjega stoletja. Z vstopom v 21. stoletje je proizvodnja sončne energije z izboljšano učinkovitostjo in hitro padajočimi stroški doživela hitro rast, pri čemer se nameščena zmogljivost vsako leto povečuje. Svetovna letna nameščena zmogljivost se je povečala z 1,4 GW leta 2000 na 22,8 GW leta 2009. Evropske države, kot so Nemčija, Italija in Španija, so glavni trgi, EU pa načrtuje povečanje deleža sončne energije na 12 % celotne oskrbe z električno energijo do leta 2020. Tudi države v razvoju, kot sta Kitajska in Indija, so začele načrte za razvoj sončne energije. Poleg komunikacijskih baznih postaj, sončnih streh in sončnih elektrarn se proizvodnja sončne energije zdaj pogosto uporablja tudi v različnih mobilnih napravah.
Kot dopolnilni in alternativni vir energije se tehnologija sončne energije hitro razvija, stroški proizvodnje pa se zmanjšujejo. Z nenehnim tehnološkim napredkom je sončna energija kot čist in obnovljiv vir pripravljena postati ključni vir energije za trajnostni razvoj.
