З технологічним прогресом та масштабуванням промисловості вартість виробництва фотоелектричної (ФЕ) енергії продовжує знижуватися, позиціонуючи її як ключове джерело енергії для сталого розвитку в майбутньому.
Ключові компоненти фотоелектричної технології
Основним компонентом технології виробництва фотоелектричної енергії є сонячні фотоелектричні елементи. Еволюцію сонячних фотоелектричних елементів можна розділити на три покоління. Перше покоління складається з сонячних елементів на основі кремнію; друге покоління включає тонкоплівкові сонячні елементи; а третє покоління охоплює нові технології, такі як висококонцентровані фотоелектричні елементи (HCPV), органічні сонячні елементи, гнучкі сонячні елементи та сонячні елементи, сенсибілізовані барвником. Наразі на ринку домінують сонячні елементи на основі кремнію, тоді як тонкоплівкові елементи поступово завойовують його частку. Більшість елементів третього покоління, за винятком HCPV, все ще перебувають на стадії досліджень.
Сонячні елементи на основі кремнію
Серед сонячних елементів на основі кремнію технологія монокристалічного кремнію є найрозвиненішою. Ефективність та вартість цих елементів в першу чергу залежать від виробничого процесу, який включає такі етапи, як лиття злитків, нарізання пластин, дифузія, текстурування, трафаретний друк та спікання. Сонячні елементи, виготовлені за допомогою цього традиційного процесу, зазвичай досягають ефективності фотоелектричного перетворення 16-18%.
Монокристалічні кремнієві сонячні елементи мають найвищу ефективність перетворення, але також є найдорожчими. Полікристалічні кремнієві сонячні елементи пропонують значне зниження вартості завдяки безпосередньому виробництву великих квадратних кремнієвих злитків, придатних для масового виробництва. Цей процес простіший, економить енергію, зберігає кремнієвий матеріал і вимагає нижчої якості матеріалу.
Зниження вартості сонячних елементів може бути досягнуто за допомогою двох основних стратегій: зменшення матеріаломісткості (наприклад, зменшення товщини кремнієвої пластини) та підвищення ефективності перетворення. Методи підвищення ефективності включають збільшення поглинання світла (наприклад, текстурування поверхні, антиблікове покриття, зменшення ширини переднього електрода), зменшення рекомбінації фотогенерованих носіїв (наприклад, пасивація емітера) та мінімізацію опору (наприклад, локалізоване легування, технологія заднього поверхневого поля).
Найвищий зареєстрований коефіцієнт перетворення для монокристалічних кремнієвих сонячних елементів становить 24,7%, і його досягнуто за допомогою сонячного елемента структури PERL з Університету Нового Південного Уельсу. Ключові технологічні особливості включають низьку концентрацію легуючого фосфору на поверхні кремнію для зменшення поверхневої рекомбінації, висококонцентровану дифузію під передніми та задніми поверхневими електродами для формування хороших омічних контактів, а також використання фотолітографії для звуження передніх поверхневих електродів, що збільшує площу поглинання світла. Однак ця технологія ще не отримала промислового впровадження.
Інші методи підвищення ефективності включають текстуровані елементи з поверхневими канавками та технологію зворотного контакту (EWT) від BP Solar. Перша досягає ефективності 18,3% завдяки лазерному нанесенню канавок, що зменшує ширину передніх електродів та збільшує поглинання світла. Друга досягає ефективності 21,3% завдяки переміщенню передніх електродів назад, що збільшує площу поглинання світла.
Тонкоплівкові сонячні елементи
Хоча кристалічні кремнієві сонячні елементи домінують завдяки своїй високій ефективності, суттєве зниження їхньої вартості є складним завданням через високу ціну кремнієвого матеріалу. Тонкоплівкові сонячні елементи, які використовують менше матеріалу, стали економічно ефективною альтернативою. Основні типи тонкоплівкових елементів включають кремнієві тонкоплівкові елементи, елементи на основі телуриду кадмію (CdTe) та елементи на основі селеніду міді та індію-галію (CIGS).
Тонкоплівкові елементи на основі кремнію мають товщину лише 2 мікрометри, використовуючи близько 1,5% кремнієвого матеріалу, необхідного для кристалічних кремнієвих елементів. Залежно від кількості PN-переходів, ці елементи можуть бути одно-, дво- або багатоперехідними, кожен з яких здатний поглинати сонячне світло різної довжини хвилі. Найвища ефективність одноперехідних елементів становить близько 7%, тоді як двоперехідних елементів може досягати 10%.
Тонкоплівкові елементи CdTe пропонують вищу ефективність (до 12%) завдяки своїм добрим властивостям поглинання світла. Однак канцерогенна природа кадмію та обмежені природні запаси телуру створюють довгострокові проблеми розвитку.
Тонкоплівкові елементи CIGS вважаються майбутнім високоефективної технології тонких плівок. Завдяки налаштуванню виробничого процесу можна покращити їхнє поглинання світла, що призводить до вищої ефективності перетворення. Наразі лабораторна ефективність досягає 20,1%, тоді як комерційні продукти досягають 13-14%, що робить їх найефективнішими серед тонкоплівкових елементів.
Клітини третього покоління
Теоретично, елементи третього покоління можуть досягати високої ефективності перетворення. За винятком HCPV, більшість з них все ще перебувають на стадії досліджень. Елементи HCPV зазвичай використовують напівпровідникові матеріали III-V групи, які мають вищу термостійкість і підтримують високу ефективність перетворення за умов високого освітлення. Багатоперехідні структури дозволяють цим елементам точно відповідати сонячному спектру, з теоретичною ефективністю до 68%. Комерційне виробництво може досягти ефективності понад 40%.
Сонячні елементи інкапсульовані в модулі, а їх застосування залежить від їхніх характеристик та потреб ринку. Ранні застосування включали базові станції зв'язку та супутники, пізніше вони поширилися на житлові райони, такі як сонячні дахи. У цих сценаріях обмежені площі встановлення та потреби у високій щільності енергії сприяли використанню кристалічних кремнієвих модулів. З розвитком великомасштабних сонячних електростанцій та інтегрованих у будівлі фотоелектричних систем (BIPV) економічні міркування призвели до збільшення застосування тонкоплівкових елементів. Умови навколишнього середовища та клімату також впливають на впровадження різних технологій.
Застосування сонячної фотоелектричної технології
Перетворення сонячного випромінювання на корисну електроенергію вимагає повноцінної сонячної фотоелектричної системи. Сонячні фотоелектричні елементи є основою цієї системи, яка також включає інвертори, акумулятори, системи моніторингу та системи розподілу.
Класифікація та склад фотоелектричних систем
Сонячні фотоелектричні системи класифікуються як автономні та мережеві. Автономні системи можуть бути автономними або гібридними.
Автономні системи зазвичай використовуються у віддалених районах, на базових станціях зв'язку та у вуличних ліхтарях на сонячній енергії, повністю покладаючись на сонячну енергію. Вони включають сонячні модулі, інвертори, контролери, акумулятори, розподільчі системи та захист від блискавки. Акумулятори та контролери суттєво впливають на вартість та термін служби системи. Гібридні системи поєднують сонячну енергію з іншими джерелами, такими як дизельні генератори або вітрові турбіни.
Системи, підключені до мережі, які зазвичай використовуються для сонячних дахів та великих фотоелектричних електростанцій, не потребують обладнання для зберігання енергії, що знижує витрати. Ці системи включають сонячні модулі, інвертори, розподільчі системи, захист від блискавки та системи моніторингу. Наразі системи, підключені до мережі, становлять 80% усіх застосувань сонячної енергетики.
Інші технології виробництва фотоелектричної енергії
Окрім технології сонячних фотоелектричних елементів, вирішальне значення для систем виробництва фотоелектричної енергії мають інверторні технології, інтеграція в мережу, накопичення енергії та інтелектуальний моніторинг:
Вихідна потужність сонячних елементів змінюється залежно від інтенсивності сонячного випромінювання, що призводить до переривчастості. Масштабна інтеграція мережі може вплинути на неї, що робить керування мережею та захист від ізольованого режиму роботи вкрай важливими.
Вихід сонячного модуля – це постійний струм (DC), що вимагає високоякісного перетворення на змінний струм (AC) за допомогою інверторів.
На вихідну потужність модуля можуть впливати такі фактори, як температура та затінення, що вимагає системного моніторингу та систем сигналізації.
Технологія дистанційного керування життєво важлива для фотоелектричних електростанцій у віддалених районах.
Китай лідирує у виробництві сонячних модулів за якістю та масштабами. Високоприбуткові галузі в рамках галузевого ланцюжка включають очищення кремнію, інвертори, системи моніторингу та виробництво фотоелектричного обладнання. Досягнення проривів у цих ключових галузях є викликом для фотоелектричної промисловості Китаю.
Поточний стан та майбутні перспективи виробництва сонячної фотоелектричної енергії
Через високу вартість виробництво сонячної фотоелектричної енергії не отримало широкого розвитку до кінця минулого століття. Увійшовши у 21 століття, з підвищенням ефективності та швидким зниженням витрат, виробництво сонячної фотоелектричної енергії переживає швидке зростання, а встановлена потужність щорічно зростає. Світова річна встановлена потужність зросла з 1,4 ГВт у 2000 році до 22,8 ГВт у 2009 році. Такі європейські країни, як Німеччина, Італія та Іспанія, є основними ринками, а ЄС планує збільшити частку сонячної енергії до 12% від загального обсягу поставок електроенергії до 2020 року. Країни, що розвиваються, такі як Китай та Індія, також запустили плани розвитку сонячної енергетики. Окрім базових станцій зв'язку, сонячних дахів та фотоелектричних електростанцій, виробництво сонячної фотоелектричної енергії зараз широко використовується в різних мобільних пристроях.
Як додаткове та альтернативне джерело енергії, технологія сонячних фотоелектричних систем швидко розвивається, що призводить до зниження витрат на виробництво. Завдяки постійному технологічному прогресу сонячна енергія, як чистий та відновлюваний ресурс, готова стати ключовим джерелом енергії для сталого розвитку.
