Solenergi, den tredjestørste vedvarende energikilde efter vandkraft og vindkraft, har udviklet sig som et rent, bæredygtigt og effektivt alternativ til fossile brændstoffer. Det sollys, der rammer Jorden, er mere end 10 000 gange større end verdens samlede energiforbrug, og teknologierne til at høste så meget solenergi som muligt er i hastig vækst. Siden de første kommercielle solpaneler af silicium (Si), der blev fremstillet af Bell Laboratories i 1954, har de mest almindelige teknologier i dag anvendt forskellige former for Si-baserede solceller og konverterer op til 20 % af sollyset til elektricitet.
Ifølge IEA’s markedsanalyse er produktionen af solcelleanlæg (PV) – processen med at omdanne sollys til elektricitet – nået op på 720 TWh i 2019 fra 585 TWh i 2018 og forventes at vokse op til 1.940 TWh i 2025. Den nuværende maksimale globale kapacitet for solenergi er på 592 GW og bidrager med 2,2 % til den globale elproduktion.
- Hvad er de nuværende og kommende innovative materialer?
- Krystallinsk silicium
- Tyndfilm
- Perovskit-solceller
- Hvad er de banebrydende integrerende solcelleteknologier?
- Hvis du har spørgsmål eller gerne vil vide, om vi kan hjælpe din virksomhed med dens innovationsudfordringer, så kontakt os venligst her eller send os en e-mail på [email protected].
Hvad er de nuværende og kommende innovative materialer?
En typisk solcelle består af halvledende materialer som f.eks. p- og n-type silicium med et lagdelt p-n-forbindelse, der er forbundet til et eksternt kredsløb. Belysning af sollys på panelerne forårsager elektronudstødning fra silicium. De udskudte elektroner under et internt elektrisk felt skaber en strøm gennem p-n-forbindelsen og det eksterne kredsløb, hvilket resulterer i en strøm (elektricitet). Med et hurtigt voksende marked og udviklingen af kreative anvendelser er F&D på innovative solenergimaterialer på sit højeste for at opnå maksimal effektivitet ved at udnytte solenergi til elektricitet til lave omkostninger. Tre typer af meget undersøgte halvledende materialer i dag er krystallinsk silicium, tynde film og den næste generation af perovskitsolceller (PSC’er).
Krystallinsk silicium
Krystallinsk silicium (c-Si) er det mest anvendte halvledende materiale i solpaneler og optager mere end 90 % af det globale solcellemarked, selv om effektiviteten ligger betydeligt under den teoretiske grænse (~30 %). Der er ved at opstå solceller fremstillet af alternative materialer med lav pris og høj effektivitet.
National Renewable Energy Laboratory (NREL) er drivkraften bag udviklingen af højeffektive krystallinske solceller, som omfatter III-V-multijunktionsmaterialer (med en målvirkning på >30%) og hybride tandem III-V/Si-solceller. Deres III-V-solceller med seks forbindelsesled har nået en effektivitet på 47,1 % under koncentreret lys. Desuden kan Si-baseret bifacial teknologi høste solenergi fra begge sider af panelet med en 11 % højere effektivitet sammenlignet med standardpaneler.
Tyndfilm
Second-generationens tyndfilmssolceller fremstår som en af de mest lovende solcelleteknologier på grund af deres smalle design (350 gange mindre lysabsorberende lag sammenlignet med standard Si-paneler), lette vægt, fleksibilitet og nem installation. Der anvendes typisk fire typer materialer i deres konstruktion: cadmium-tellurid (CdTe), amorf silicium, kobber-indium-gallium-selenid (CIGS) og gallium-arsenid (GaAs). Mens CdTe giver anledning til bekymring med hensyn til giftighed på grund af cadmiumet, viser CIGS-solcellerne sig at være de mere lovende højeffektive og økonomiske muligheder for både private og kommercielle installationer med en effektivitet på op til 21 %.
Ascent Solar er en af de førende aktører inden for fremstilling af højtydende CIGS-moduler, og deres superlette og ekstreme CIGS-teknologi anvendes i rumfart, luft- og rumfart, regeringen og den offentlige sektor.
Perovskit-solceller
I den næste generation af solceller har hybridmetalhalogenid-perovskit-solceller (PSC) vakt stor opmærksomhed på grund af deres lave pris, tyndere design, forarbejdning ved lave temperaturer og fremragende lysabsorptionsegenskaber (god ydeevne under svagt og diffust lys). PSC’er kan være fleksible, lette og semitransparente. Perovskit-tynde film kan også udskrives, hvilket fører til en skalerbar produktion med høj kapacitet, og en nyligt udprintet PSC fra rulle til rulle har nået en effektivitet på 12,2 %, hvilket er den højeste effektivitet blandt udprintede PSC’er.
Nærmere bestemt har kombinerede perovskit- og Si-PV-materialer vist en rekordhøj effektivitet på op til 28 % under laboratoriebetingelser, som påvist af Oxford PV. Mens stabilitet og holdbarhed fortsat har været et stort problem, har et nyt billigt indkapslingssystem af polymer- og glasstacks for nylig gjort det muligt for PSC’er at modstå standarddriftsbetingelser. Selv om PSC’er stadig ikke er blevet markedsført, har de betydelige økonomiske og effektive fordele, som kan være drivkraften bag solenergimarkedets fremtid.
Hvad er de banebrydende integrerende solcelleteknologier?
Afhængig af innovative materialer er der også kreative metoder til at høste maksimal solenergi på vej frem. Den schweiziske nystartede virksomhed Insolight bruger f.eks. integrerede linser som optiske boostere i panelernes beskyttelsesglas for at koncentrere lysstrålerne 200 gange og samtidig opnå en effektivitet på 30 %.
En anden nyere udvikling er udformningen af prototyper af termoradiative PV-enheder, eller omvendte solpaneler, der kan generere elektricitet om natten ved at udnytte den varme, der udstråler fra panelerne til det optisk koblede dybe rum, som tjener som en køleplade.
Interessant nok er der sammen med innovative materialer også andre integrative anvendelser end standardinstallationer på hustage på vej op, og de er i øjeblikket i deres vorden. For eksempel kan soldestillation høste solenergi og samtidig udnytte den afgivne varme fra panelerne til at rense vand, hvis der er et integreret tilbehør til destillation med membraner.
En anden transformativ teknologi i fremtiden kunne være solmaling, som omfatter solmalingsbrint (genererer energi fra fotovoltaisk vandspaltning), kvanteprikker (fotovoltaisk maling) og perovskitbaserede malinger.
Dertil kommer, at gennemsigtige solvinduer er meget innovative anvendelser, og Ubiquitous Energy har opnået en omdannelseseffektivitet fra sol til elektricitet på 10 % med deres gennemsigtige materialer. En demonstration fra Michigan State University, der er en pioner inden for denne teknologi, kan ses i denne video:
Med den hurtige udvikling af billige, højtydende halvledermaterialer med høj ydeevne, pladsbesparende tynde film og let installerbare teknologier forventes solenergimarkedet at boome i de næste fem år. På trods af det tilbageslag, der blev forårsaget af pandemien, er den forventede omkostningsreduktion på 15 % til 35 % inden 2024 for solcelleanlæg opmuntrende og kan gøre denne vedvarende energi mere overkommelig.