Са технолошким напретком и скалирањем индустрије, трошкови производње фотонапонске (ПВ) енергије настављају да се смањују, позиционирајући је као кључни извор енергије за одрживи развој у будућности.
Кључне компоненте фотонапонске технологије
Основна компонента технологије производње фотонапонске енергије је соларна фотонапонска ћелија. Еволуција соларних фотонапонских ћелија може се поделити у три генерације. Прва генерација се састоји од соларних ћелија на бази силицијума; друга генерација укључује танкослојне соларне ћелије; а трећа генерација обухвата нове технологије као што су фотонапонске ћелије високе концентрације (HCPV), органске соларне ћелије, флексибилне соларне ћелије и соларне ћелије осетљиве на боје. Тренутно, соларне ћелије на бази силицијума доминирају тржиштем, док танкослојне ћелије постепено освајају тржишни удео. Већина ћелија треће генерације, изузев HCPV-а, још увек је у фази истраживања.
Соларне ћелије на бази силицијума
Међу соларним ћелијама на бази силицијума, технологија монокристалног силицијума је најзрелија. Ефикасност и трошкови ових ћелија првенствено су под утицајем производног процеса, који укључује кораке као што су ливење ингота, сечење плочице, дифузија, текстурирање, сито штампа и синтеровање. Соларне ћелије произведене овим конвенционалним поступком обично постижу ефикасност фотоелектричне конверзије од 16-18%.
Монокристалне силицијумске соларне ћелије имају највећу ефикасност конверзије, али су и најскупље. Поликристалне силицијумске соларне ћелије нуде добро смањење трошкова директном производњом великих квадратних силицијумских ингота погодних за масовну производњу. Овај процес је једноставнији, штеди енергију, чува силицијумски материјал и захтева нижи квалитет материјала.
Смањење трошкова соларних ћелија може се постићи кроз две главне стратегије: смањење потрошње материјала (нпр. смањење дебљине силицијумске плочице) и повећање ефикасности конверзије. Методе за побољшање ефикасности укључују повећање апсорпције светлости (нпр. текстурирање површине, антирефлексни премаз, смањење ширине предње електроде), смањење рекомбинације фотогенерисаних носача (нпр. пасивација емитера) и минимизирање отпора (нпр. локализовано допирање, технологија поља задње површине).
Највећа забележена ефикасност конверзије за монокристалне силицијумске соларне ћелије је 24,7%, постигнута помоћу соларне ћелије PERL структуре са Универзитета у Новом Јужном Велсу. Кључне технолошке карактеристике укључују ниску концентрацију допирања фосфором на површини силицијума ради смањења површинске рекомбинације, дифузију високе концентрације испод предњих и задњих површинских електрода ради формирања добрих омских контаката и употребу фотолитографије за сужавање предњих површинских електрода, повећавајући површину апсорпције светлости. Међутим, ова технологија још увек није индустријализована.
Друге технике за побољшање ефикасности укључују ћелије са текстурираном површином жлебова и технологију задњег контакта (EWT) компаније BP Solar. Прва постиже ефикасност од 18,3% ласерским жлебовима, што смањује ширину предњих електрода и повећава апсорпцију светлости. Друга постиже ефикасност од 21,3% померањем предњих електрода позади, повећавајући површину која апсорбује светлост.
Танкослојне соларне ћелије
Иако кристалне силицијумске соларне ћелије доминирају због своје високе ефикасности, значајно смањење њихових трошкова је изазовно због високе цене силицијумског материјала. Танкослојне соларне ћелије, које користе мање материјала, појавиле су се као исплатива алтернатива. Главне врсте танкослојних ћелија укључују танкослојне ћелије на бази силицијума, ћелије кадмијум телурида (CdTe) и ћелије бакар индијум галијум селенида (CIGS).
Танкослојне ћелије на бази силицијума дебљине су само 2 микрометра, користећи око 1,5% силицијумског материјала потребног за кристалне силицијумске ћелије. У зависности од броја PN спојева, ове ћелије могу бити једноспојне, двоспојне или вишеспојне, свака способна да апсорбује различите таласне дужине сунчеве светлости. Највећа ефикасност за једноспојне ћелије је око 7%, док ћелије за двоспојне могу достићи 10%.
Танкослојне CdTe ћелије нуде већу ефикасност (до 12%) због својих добрих својстава апсорпције светлости. Међутим, канцерогена природа кадмијума и ограничене природне резерве телура представљају дугорочне развојне изазове.
Танкослојне ћелије CIGS се сматрају будућношћу високоефикасне технологије танких филмова. Подешавањем производног процеса, њихова апсорпција светлости може се побољшати, што доводи до веће ефикасности конверзије. Тренутно, лабораторијска ефикасност достиже 20,1%, док комерцијални производи постижу 13-14%, што их чини најефикаснијим међу ћелијама танких филмова.
Ћелије треће генерације
Теоретски, ћелије треће генерације могу постићи високу ефикасност конверзије. Осим HCPV-а, већина је још увек у фази истраживања. HCPV ћелије обично користе полупроводничке материјале III-V класе, који имају већу отпорност на топлоту и одржавају високу ефикасност конверзије под јаким осветљењем. Вишеструке структуре омогућавају овим ћелијама да се блиско подударају са соларним спектром, са теоријском ефикасношћу до 68%. Комерцијална производња може постићи ефикасност изнад 40%.
Соларне ћелије су капсулиране у модуле, а њихова примена зависи од њихових карактеристика и захтева тржишта. Ране примене су укључивале комуникационе базне станице и сателите, а касније су се прошириле на стамбене просторе попут соларних кровова. У овим сценаријима, ограничени простори за инсталацију и потребе за високом густином енергије фаворизовали су кристалне силицијумске модуле. Са развојем великих соларних електрана и фотонапонских система интегрисаних у зграде (BIPV), разматрања трошкова довела су до повећане примене ћелија са танким филмом. Услови животне средине и климатски услови такође утичу на усвајање различитих технологија.
Примене соларне фотонапонске технологије
Претварање сунчевог зрачења у употребљиву електричну енергију захтева комплетан соларни фотонапонски систем. Соларне фотонапонске ћелије чине основу овог система, који такође укључује инверторе, батерије, системе за праћење и дистрибутивне системе.
Класификација и састав фотонапонских система
Соларни фотонапонски системи се класификују као ванмрежни и повезани на мрежу. Ванмрежни системи могу бити самостални или хибридни.
Самостални системи се обично користе у удаљеним подручјима, комуникационим базним станицама и соларним уличним расветним светлима, ослањајући се искључиво на соларну енергију. Они укључују соларне модуле, инверторе, контролере, батерије, дистрибутивне системе и заштиту од грома. Батерије и контролери значајно утичу на трошкове и век трајања система. Хибридни системи комбинују соларну енергију са другим изворима попут дизел генератора или ветротурбина.
Системи повезани на мрежу, који се обично користе за соларне кровове и велике фотонапонске електране, не захтевају опрему за складиштење, што смањује трошкове. Ови системи укључују соларне модуле, инверторе, дистрибутивне системе, заштиту од грома и системе за праћење. Тренутно, системи повезани на мрежу чине 80% свих соларних примена.
Остале технологије за производњу фотонапонске енергије
Поред технологије соларних ПВ ћелија, инверторска технологија, интеграција у мрежу, складиштење енергије и интелигентно праћење су кључни за системе за производњу ПВ енергије:
Излазна снага соларних ћелија варира у зависности од интензитета сунчевог зрачења, што узрокује повременост. Интеграција мреже великих размера може утицати на мрежу, што чини контролу мреже и заштиту од изолације неопходним.
Излаз соларног модула је једносмерна струја (DC), што захтева висококвалитетну конверзију у наизменичну струју (AC) путем инвертора.
На излазну снагу модула могу утицати фактори попут температуре и сенчења, што захтева праћење система и алармне системе.
Технологија даљинског управљања је од виталног значаја за фотонапонске електране у удаљеним подручјима.
Кина предњачи у производњи соларних модула по квалитету и обиму. Високопрофитабилне области унутар индустријског ланца укључују пречишћавање силицијума, инверторе, системе за праћење и производњу фотонапонске опреме. Постизање продора у овим кључним областима представља изазов за кинеску фотонапонску индустрију.
Тренутни статус и будући изгледи за производњу соларне фотонапонске енергије
Због високих трошкова, производња соларне фотонапонске енергије није доживела велики развој све до краја прошлог века. Уласком у 21. век, са побољшаном ефикасношћу и брзим смањењем трошкова, производња соларне фотонапонске енергије доживела је брзи раст, са инсталираним капацитетом који се повећава сваке године. Глобални годишњи инсталирани капацитет порастао је са 1,4 GW у 2000. години на 22,8 GW у 2009. години. Европске земље попут Немачке, Италије и Шпаније су главна тржишта, а ЕУ планира да повећа удео соларне енергије на 12% укупне снабдевања електричном енергијом до 2020. године. Земље у развоју попут Кине и Индије такође су покренуле планове развоја соларне енергије. Поред комуникационих базних станица, соларних кровова и фотонапонских електрана, производња соларне фотонапонске енергије сада се широко користи у разним мобилним уређајима.
Као додатни и алтернативни извор енергије, соларна фотонапонска технологија се брзо развија, са смањењем трошкова производње. Са континуираним технолошким напретком, соларна енергија, као чист и обновљив ресурс, спремна је да постане кључни извор енергије за одрживи развој.
