Utveckling av solcellsteknik

Med tekniska framsteg och industriell expansion fortsätter kostnaden för solcellsproduktion (PV) att minska, vilket positionerar den som en central energikälla för hållbar utveckling i framtiden.

Viktiga komponenter i fotovoltaisk teknik
Kärnkomponenten i PV-kraftproduktionstekniken är solceller. Utvecklingen av solceller kan delas in i tre generationer. Den första generationen består av kiselbaserade solceller; den andra generationen inkluderar tunnfilmssolceller; och den tredje generationen omfattar nya tekniker som högkoncentrerade solceller (HCPV), organiska solceller, flexibla solceller och färgämneskänsliga solceller. För närvarande dominerar kiselbaserade solceller marknaden, medan tunnfilmsceller gradvis vinner marknadsandelar. De flesta tredje generationens celler, förutom HCPV, är fortfarande i forskningsfasen.

Kiselbaserade solceller

Bland kiselbaserade solceller är monokristallin kiselteknik den mest mogna. Effektiviteten och kostnaden för dessa celler påverkas främst av tillverkningsprocessen, som inkluderar steg som gjutning av gjutgods, skivning av skivor, diffusion, texturering, screentryck och sintring. Solceller som produceras genom denna konventionella process uppnår vanligtvis en fotoelektrisk omvandlingseffektivitet på 16–18 %.

Monokristallina kiselsolceller har den högsta omvandlingseffektiviteten men är också de dyraste. Polykristallina kiselsolceller erbjuder en god kostnadsreduktion genom att direkt tillverka stora fyrkantiga kiselgöt som är lämpliga för massproduktion. Denna process är enklare, sparar energi, bevarar kiselmaterial och kräver lägre materialkvalitet.

Att minska kostnaden för solceller kan uppnås genom två huvudstrategier: minskad materialförbrukning (t.ex. minskad kiselskivs tjocklek) och ökad konverteringseffektivitet. Metoder för att förbättra effektiviteten inkluderar ökad ljusabsorption (t.ex. yttexturering, antireflexbeläggning, minskad frontelektrodbredd), minskad rekombination av fotogenererade laddningsbärare (t.ex. emitterpassivering) och minimering av resistans (t.ex. lokal dopning, bakåtriktad fältteknik).

Den högsta registrerade omvandlingseffektiviteten för monokristallina kiselsolceller är 24,7 %, uppnådd av PERL-struktursolcellen från University of New South Wales. Viktiga tekniska egenskaper inkluderar låg fosforkoncentration på kiselytan för att minska ytrekombination, högkoncentrerad diffusion under främre och bakre ytelektroder för att bilda goda ohmska kontakter, och användningen av fotolitografi för att begränsa de främre ytelektroderna, vilket ökar ljusabsorptionsarean. Denna teknik har dock ännu inte industrialiserats.

Andra tekniker för att förbättra effektiviteten inkluderar BP Solars ytspårade texturerade celler och EWT-teknik (back-contact). Den förra uppnår en effektivitet på 18,3 % genom laserspårning, vilket minskar bredden på de främre elektroderna och ökar ljusabsorptionen. Den senare uppnår en effektivitet på 21,3 % genom att föra de främre elektroderna bakåt, vilket ökar den ljusabsorberande arean.

Tunnfilmssolceller

Medan kristallina kiselsolceller dominerar på grund av sin höga effektivitet, är det utmanande att avsevärt minska deras kostnader på grund av det höga priset på kiselmaterial. Tunnfilmssolceller, som använder mindre material, har framträtt som ett kostnadseffektivt alternativ. De viktigaste typerna av tunnfilmsceller inkluderar kiselbaserade tunnfilmsceller, kadmiumtelluridceller (CdTe) och kopparindiumgalliumselenidceller (CIGS).

Kiselbaserade tunnfilmsceller är bara 2 mikrometer tjocka och använder cirka 1,5 % av det kiselmaterial som krävs för kristallina kiselceller. Beroende på antalet PN-övergångar kan dessa celler vara enkelövergångsceller, dubbelövergångsceller eller multiövergångsceller, där alla kan absorbera olika våglängder av solljus. Den högsta effektiviteten för enkelövergångsceller är cirka 7 %, medan dubbelövergångsceller kan nå 10 %.

CdTe-tunnfilmsceller erbjuder högre effektivitet (upp till 12 %) tack vare sina goda ljusabsorptionsegenskaper. Kadmiums cancerframkallande egenskaper och de begränsade naturreserverna av tellur utgör dock långsiktiga utvecklingsutmaningar.

CIGS-tunnfilmsceller anses vara framtiden för högeffektiv tunnfilmsteknik. Genom att justera tillverkningsprocessen kan deras ljusabsorption förbättras, vilket leder till högre omvandlingseffektivitet. För närvarande når laboratorieeffektiviteten 20,1 %, medan kommersiella produkter uppnår 13–14 %, vilket gör dem till de mest effektiva bland tunnfilmscellerna.

Tredje generationens celler

Teoretiskt sett kan tredje generationens celler uppnå hög omvandlingseffektivitet. Förutom HCPV är de flesta fortfarande i forskningsstadiet. HCPV-celler använder vanligtvis III-V halvledarmaterial, som har högre värmebeständighet och bibehåller hög omvandlingseffektivitet under stark belysning. Multi-junction-strukturer gör att dessa celler kan matcha solspektrumet noggrant, med teoretiska effektiviteter upp till 68 %. Kommersiell produktion kan uppnå effektiviteter över 40 %.

Solceller är inkapslade i moduler, och deras tillämpningar beror på deras egenskaper och marknadens efterfrågan. Tidiga tillämpningar inkluderade kommunikationsbasstationer och satelliter, och expanderade senare till bostadsområden som soltak. I dessa scenarier gynnade begränsade installationsytor och höga energitäthetsbehov kristallina kiselmoduler. Med utvecklingen av storskaliga solkraftverk och byggnadsintegrerade solceller (BIPV) har kostnadsöverväganden lett till ökade tillämpningar av tunnfilmsceller. Miljö- och klimatförhållanden påverkar också användningen av olika tekniker.

Tillämpningar av solcellsteknik

Att omvandla solstrålning till användbar elektricitet kräver ett komplett solcellssystem. Solceller utgör grunden för detta system, vilket även inkluderar växelriktare, batterier, övervakningssystem och distributionssystem.

Klassificering och sammansättning av PV-system

Solcellssystem klassificeras som antingen off-grid eller nätanslutna. Off-grid system kan vara fristående eller hybrida.

Fristående system används vanligtvis i avlägsna områden, kommunikationsbasstationer och solcellsdrivna gatubelysningar, och är helt beroende av solenergi. De inkluderar solmoduler, växelriktare, styrenheter, batterier, distributionssystem och åskskydd. Batterier och styrenheter påverkar systemets kostnad och livslängd avsevärt. Hybridsystem kombinerar solenergi med andra källor som dieselgeneratorer eller vindkraftverk.

Nätkopplade system, som vanligtvis används för soltak och storskaliga solkraftverk, kräver ingen lagringsutrustning, vilket minskar kostnaderna. Dessa system inkluderar solmoduler, växelriktare, distributionssystem, åskskydd och övervakningssystem. För närvarande står nätkopplade system för 80 % av alla solcellsapplikationer.

Andra solcellsbaserade kraftgenereringstekniker

Förutom solcellsteknik är växelriktarteknik, nätintegration, lagring och intelligent övervakning avgörande för solcellssystem:

Solcellernas uteffekt varierar med solstrålningens intensitet, vilket orsakar intermittenta förhållanden. Storskalig nätintegration kan påverka elnätet, vilket gör nätstyrning och isoleringsskydd avgörande.
Solmodulens uteffekt är likström (DC), vilket kräver högkvalitativ omvandling till växelström (AC) via växelriktare.
Modulens effekt kan påverkas av faktorer som temperatur och skuggning, vilket kräver systemövervakning och larmsystem.
Fjärrstyrningsteknik är avgörande för solcellskraftverk i avlägsna områden.
Kina är ledande inom produktion av solmoduler vad gäller kvalitet och skala. Högvinstgivande områden inom industrikedjan inkluderar kiselrening, växelriktare, övervakningssystem och tillverkning av solcellsutrustning. Att uppnå genombrott inom dessa nyckelområden är en utmaning för Kinas solcellsindustri.

Nuvarande status och framtidsutsikter för solcellsproduktion