Solární energie, třetí největší obnovitelný zdroj energie po vodní a větrné energii, se stala čistou, udržitelnou a výkonnou alternativou fosilních paliv. Sluneční světlo dopadající na Zemi je více než 10 000krát větší než celková světová spotřeba energie a technologie pro získávání co největšího množství sluneční energie prudce rostou. Od prvních komerčních křemíkových (Si) solárních panelů vytvořených v Bellových laboratořích v roce 1954 využívají dnes nejběžnější technologie různé formy solárních článků na bázi Si a přeměňují až 20 % slunečního záření na elektřinu.
Podle analýzy trhu IEA dosáhla výroba solární fotovoltaiky (PV) – proces přeměny slunečního světla na elektřinu – v roce 2019 hodnoty 720 TWh z 585 TWh v roce 2018 a do roku 2025 se očekává nárůst až na 1 940 TWh. Současná maximální celosvětová kapacita solární energie činí 592 GW a podílí se na celosvětové výrobě elektřiny 2,2 %.
- Jaké jsou současné a připravované inovativní materiály?
- Krystalický křemík
- Tenké filmy
- Perovskitové solární články
- Jaké jsou průlomové integrační technologie solárních článků?
- Pokud máte jakékoli dotazy nebo chcete vědět, zda můžeme vaší firmě pomoci s jejími inovačními problémy, kontaktujte nás zde nebo nám napište na [email protected].
Jaké jsou současné a připravované inovativní materiály?
Typický solární článek se skládá z polovodičových materiálů, jako je křemík typu p a n, s vrstveným p-n přechodem připojeným k vnějšímu obvodu. Osvětlení panelů slunečním světlem způsobuje výron elektronů z křemíku. Vyvržené elektrony pod vlivem vnitřního elektrického pole vytvářejí tok přes p-n přechod a vnější obvod, čímž vzniká proud (elektřina). S rychle rostoucím trhem a rozvojem kreativních aplikací je výzkum& v oblasti inovativních materiálů pro solární energii na vrcholu, aby bylo dosaženo maximální účinnosti přeměny solární energie na elektřinu při nízkých nákladech. Tři typy vysoce zkoumaných polovodičových materiálů současnosti jsou krystalický Si, tenké vrstvy a perovskitové solární články (PSC) nové generace.
Krystalický křemík
Krystalický křemík (c-Si) je nejpoužívanějším polovodičovým materiálem v solárních panelech a zaujímá více než 90 % světového trhu s fotovoltaickými články, ačkoli účinnost je výrazně pod teoretickou hranicí (~30 %). Objevují se solární články vyrobené z alternativních levných materiálů s vysokou účinností.
Národní laboratoř pro obnovitelnou energii (NREL) je hnací silou vývoje krystalických fotovoltaických článků s vysokou účinností, které zahrnují materiály III-V s více přechody (s cílovou účinností >30 %) a hybridní tandemové solární články III-V/Si. Jejich šestipřechodové III-V solární články dosáhly při koncentrovaném světle účinnosti 47,1 %. Bifaciální technologie na bázi Si navíc dokáže sbírat solární energii z obou stran panelu, přičemž účinnost je o 11 % vyšší než u standardních panelů.
Tenké filmy
Druhá generace tenkovrstvých solárních článků se jeví jako jedna z nejslibnějších fotovoltaických technologií díky své úzké konstrukci (350krát menší světlo pohlcující vrstvy ve srovnání se standardními Si panely), nízké hmotnosti, flexibilitě a snadné instalaci. Pro jejich konstrukci se obvykle používají čtyři typy materiálů: kadmium-tellurid (CdTe), amorfní křemík, selenid mědi a galia (CIGS) a arsenid galia (GaAs). Zatímco u CdTe existuje obava z toxicity kvůli kadmiu, solární články CIGS se ukazují jako perspektivnější vysoce účinné a ekonomické možnosti pro obytné i komerční instalace s účinností až 21 %.
Společnost Ascent Solar je jedním z předních hráčů ve výrobě vysoce výkonných modulů CIGS, přičemž její superlehká a extrémní technologie CIGS se používá v kosmickém, leteckém, vládním a veřejném sektoru.
Perovskitové solární články
Mezi solárními články nové generace si hybridní metalhalogenidové perovskitové solární články (PSC) získaly velkou pozornost díky své nízké ceně, tenčí konstrukci, nízkoteplotnímu zpracování a vynikajícím vlastnostem absorpce světla (dobrý výkon při slabém a rozptýleném světle). PSC mohou být flexibilní, lehké a poloprůhledné. Perovskitové tenké vrstvy lze také tisknout, což vede ke škálovatelné výrobě s vysokým výkonem, a nedávný tisk PSC z role dosáhl 12,2% účinnosti, což je nejvyšší hodnota mezi tištěnými PSC.
Zejména kombinované perovskitové a Si-PV materiály vykazují v laboratorních podmínkách rekordní účinnost až 28 %, jak prokázala společnost Oxford PV. Zatímco stabilita a trvanlivost zůstávaly hlavním problémem, nedávný levný systém zapouzdření stohů polymerů a skla umožnil PSC odolávat standardním provozním podmínkám. Přestože PSC stále nejsou komerčně využívány, mají významné ekonomické výhody a výhody v oblasti účinnosti, které mohou být hnacím motorem budoucího trhu se solární energií.
Jaké jsou průlomové integrační technologie solárních článků?
Kromě inovativních materiálů se objevují také kreativní metody získávání maximálního množství sluneční energie. Například švýcarský start-up Insolight používá integrované čočky jako optické zesilovače v ochranném skle panelů, které 200krát koncentrují světelné paprsky a zároveň dosahují účinnosti 30 %.
Dalším nedávným vývojem je navrhování prototypů termoradiativních fotovoltaických zařízení neboli reverzních solárních panelů, které mohou vyrábět elektřinu v noci využitím tepla vyzářeného z panelů do opticky propojeného hlubokého prostoru, který slouží jako chladič.
Zajímavé je, že spolu s inovativními materiály jsou na vzestupu i jiné integrační aplikace než standardní střešní instalace, které jsou v současné době v plenkách. Například solární destilace může získávat sluneční energii a zároveň využívat odváděné teplo z panelů k čištění vody, pokud je k dispozici integrovaný membránový destilační nástavec.
Další transformativní technologií budoucnosti by mohly být solární nátěry, které zahrnují solární vodíkové nátěry (generují energii z fotovoltaického štěpení vody), kvantové tečky (fotovoltaický nátěr) a nátěry na bázi perovskitu.
Velmi inovativními aplikacemi jsou navíc průhledná solární okna a společnost Ubiquitous Energy dosáhla se svými průhlednými materiály 10% účinnosti přeměny solární energie na elektrickou. Ukázku z Michiganské státní univerzity, která je průkopníkem této technologie, můžete vidět na tomto videu:
S rychlým vývojem levných, vysoce výkonných polovodičových materiálů, prostorově úsporných tenkých vrstev a snadno instalovatelných technologií se v příštích pěti letech očekává rozmach trhu se solární energií. Navzdory komplikacím způsobeným pandemií je očekávané snížení nákladů na solární instalace o 15 až 35 % do roku 2024 povzbudivé a mohlo by učinit tuto obnovitelnou energii dostupnější.
Pokud máte jakékoli dotazy nebo chcete vědět, zda můžeme vaší firmě pomoci s jejími inovačními problémy, kontaktujte nás zde nebo nám napište na [email protected].
.