Obecne i nadchodzące innowacje w technologii ogniw słonecznych

Energia słoneczna, trzecie co do wielkości odnawialne źródło energii po energii wodnej i wiatrowej, pojawiła się jako czysta, zrównoważona i potężna alternatywa dla paliw kopalnych. Światło słoneczne uderzające w Ziemię jest ponad 10,000 razy większe niż całkowite zużycie energii na świecie, a technologie mające na celu zebranie jak największej ilości energii słonecznej gwałtownie się rozwijają. Od czasu pierwszych komercyjnych krzemowych (Si) paneli słonecznych stworzonych przez Bell Laboratories w 1954 roku, najbardziej powszechne technologie wykorzystują obecnie różne formy ogniw słonecznych opartych na Si i przetwarzają do 20% światła słonecznego na energię elektryczną.

Zgodnie z analizą rynku IEA, generacja fotowoltaiki słonecznej (PV) – proces przekształcania światła słonecznego w energię elektryczną – osiągnęła 720 TWh w 2019 roku z 585 TWh w 2018 roku i oczekuje się, że wzrośnie do 1,940 TWh do 2025 roku. Obecna maksymalna globalna moc energii słonecznej wynosi 592 GW, wnosząc 2,2% do globalnej produkcji energii elektrycznej.

Jakie są obecne i nadchodzące innowacyjne materiały?

Typowe ogniwo słoneczne składa się z materiałów półprzewodzących, takich jak krzem typu p i n z warstwowym złączem p-n połączonym z zewnętrznym obwodem. Oświetlenie paneli światłem słonecznym powoduje wyrzut elektronów z krzemu. Wyrzucone elektrony pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego tworzą przepływ przez złącze p-n i obwód zewnętrzny, w wyniku czego powstaje prąd (elektryczność). Przy szybko rosnącym rynku i rozwoju kreatywnych zastosowań, badania nad innowacyjnymi materiałami dla energetyki słonecznej są na najwyższym poziomie, aby osiągnąć maksymalną wydajność przemiany energii słonecznej w elektryczną przy niskich kosztach. Trzy typy wysoce zbadanych materiałów półprzewodnikowych to krystaliczny krzem, cienkie folie oraz perowskitowe ogniwa słoneczne nowej generacji (PSC).

Krzem krystaliczny

Krzem krystaliczny (c-Si) jest najczęściej stosowanym materiałem półprzewodnikowym w panelach słonecznych, zajmując ponad 90% światowego rynku PV, chociaż jego wydajność jest znacznie poniżej teoretycznego limitu (~30%). Pojawiają się ogniwa słoneczne wykonane z alternatywnych, tanich i wysokowydajnych materiałów.

Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) prowadzi rozwój wysokowydajnych krystalicznych ogniw fotowoltaicznych, które obejmują materiały wielozłączowe III-V (o docelowej sprawności >30%) oraz hybrydowe tandemowe ogniwa słoneczne III-V/Si. Ich sześciozłączowe ogniwa słoneczne III-V osiągnęły sprawność 47,1% przy skoncentrowanym świetle. Ponadto technologia bifacialna oparta na Si może zbierać energię słoneczną z obu stron panelu, z 11% większą wydajnością w porównaniu do standardowych paneli.

Cienkie warstwy

Cienkowarstwowe ogniwa słoneczne drugiej generacji pojawiają się jako jedna z najbardziej obiecujących technologii PV ze względu na wąską konstrukcję (350 razy mniejsze warstwy pochłaniające światło w porównaniu do standardowych paneli Si-), niewielką wagę, elastyczność i łatwość instalacji. Zazwyczaj do ich budowy stosuje się cztery rodzaje materiałów: kadm-tellurid (CdTe), krzem amorficzny, miedziano-indowo-galowo-selenidowy (CIGS) i galu-arsenid (GaAs). Podczas gdy CdTe budzi obawy dotyczące toksyczności ze względu na zawartość kadmu, ogniwa słoneczne CIGS okazują się być bardziej obiecującymi, wysokowydajnymi i ekonomicznymi opcjami zarówno dla instalacji domowych, jak i komercyjnych, ze sprawnością do 21%.

Ascent Solar jest jednym z czołowych graczy w produkcji wysokowydajnych modułów CIGS, a ich superlekka i ekstremalna technologia CIGS jest wykorzystywana w sektorze kosmicznym, lotniczym, rządowym i publicznym.

Perowskitowe ogniwa słoneczne

Pośród ogniw słonecznych nowej generacji, hybrydowe perowskitowe ogniwa słoneczne halogenków metali (PSC) przyciągnęły dużą uwagę ze względu na ich niską cenę, cieńszą konstrukcję, niskotemperaturowe przetwarzanie i doskonałe właściwości absorpcji światła (dobra wydajność przy słabym i rozproszonym świetle). PSC mogą być elastyczne, lekkie i półprzezroczyste. W szczególności, cienkie warstwy perowskitowe mogą być również drukowane, co prowadzi do skalowalnej produkcji o wysokiej wydajności, a ostatnio wydrukowany PSC w technologii roll-to-roll osiągnął sprawność 12,2%, najwyższą wśród drukowanych PSC.

W szczególności, połączone materiały perowskitowe i Si-PV wykazały rekordową sprawność do 28% w warunkach laboratoryjnych, jak wykazano w Oxford PV. Chociaż stabilność i trwałość pozostały głównym problemem, niedawno opracowany tani system hermetyzacji stosu polimerowo-szklanego umożliwił PSC wytrzymanie standardowych warunków pracy. Chociaż PSC wciąż nie są skomercjalizowane, posiadają znaczące zalety ekonomiczne i wydajnościowe, które mogą napędzać przyszłość rynku energii słonecznej.

Jakie są przełomowe technologie integracyjnych ogniw słonecznych?

Oprócz innowacyjnych materiałów, pojawiają się również kreatywne metody zbierania maksymalnej ilości energii słonecznej. Na przykład, szwajcarski start-up Insolight wykorzystuje zintegrowane soczewki jako optyczne wzmacniacze w szkle ochronnym paneli, aby skoncentrować wiązki światła 200 razy, osiągając przy tym wydajność 30%.

Innym najnowszym osiągnięciem jest projektowanie prototypów termoradiatorowych urządzeń PV, czyli odwróconych paneli słonecznych, które mogą generować energię elektryczną w nocy, wykorzystując ciepło napromieniowane z paneli do optycznie sprzężonej głębokiej przestrzeni, która służy jako radiator.

Co ciekawe, wraz z innowacyjnymi materiałami, rosną również zastosowania integracyjne inne niż standardowe instalacje dachowe, które obecnie są w powijakach. Na przykład, destylacja słoneczna może zbierać energię słoneczną, jednocześnie wykorzystując rozproszone ciepło z paneli do oczyszczania wody, jeśli istnieje zintegrowana przystawka do destylacji membranowej.

Inną transformującą technologią przyszłości mogą być farby solarne, które obejmują farbę solarną wodorową (generuje energię z fotowoltaicznego rozszczepiania wody), kropki kwantowe (farba fotowoltaiczna) i farby na bazie perowskitów.

Ponadto, przezroczyste okna słoneczne są wysoce innowacyjnymi zastosowaniami, a firma Ubiquitous Energy osiągnęła wydajność konwersji energii słonecznej na elektryczną na poziomie 10% przy użyciu swoich przezroczystych materiałów. Demonstracja z Michigan State University, pioniera w tej technologii, można zobaczyć w tym filmie:

Wraz z szybkim rozwojem tanich, wysokowydajnych materiałów półprzewodnikowych, cienkich folii oszczędzających miejsce i łatwych do zainstalowania technologii, oczekuje się, że rynek energii słonecznej będzie się rozwijał w ciągu najbliższych pięciu lat. Pomimo komplikacji spowodowanych pandemią, przewidywane obniżenie kosztów instalacji solarnych o 15% do 35% do 2024 roku jest zachęcające i może sprawić, że ta energia odnawialna stanie się bardziej przystępna.

Jeśli masz jakiekolwiek pytania lub chciałbyś wiedzieć, czy możemy pomóc Twojej firmie w jej wyzwaniach związanych z innowacyjnością, skontaktuj się z nami tutaj lub napisz do nas na adres [email protected].

.