Inovări actuale și viitoare în tehnologiile celulelor solare

Energia solară, a treia cea mai mare sursă de energie regenerabilă după energia hidroelectrică și eoliană, a apărut ca o alternativă curată, durabilă și puternică la combustibilii fosili. Lumina solară care lovește Pământul este de peste 10.000 de ori mai mare decât consumul total de energie la nivel mondial, iar tehnologiile pentru a recolta cât mai multă energie solară sunt în plină expansiune. De la primele panouri solare comerciale pe bază de siliciu (Si) create de Bell Laboratories în 1954, cele mai răspândite tehnologii actuale utilizează diferite forme de celule solare pe bază de Si și convertesc până la 20% din lumina solară în energie electrică.

Potrivit analizei de piață a AIE, producția de energie solară fotovoltaică (PV) – procesul de conversie a luminii solare în energie electrică – a ajuns la 720 TWh în 2019, de la 585 TWh în 2018, și se așteaptă să crească până la 1.940 TWh până în 2025. Capacitatea globală maximă actuală maximă a energiei solare este de 592 GW, contribuind cu 2,2 % la generarea de energie electrică la nivel mondial.

Care sunt materialele inovatoare actuale și viitoare?

O celulă solară tipică este formată din materiale semiconductoare, cum ar fi siliciul de tip p și n, cu o joncțiune p-n stratificată conectată la un circuit extern. Iluminarea panourilor de către lumina soarelui provoacă ejectarea de electroni din siliciu. Electronii ejectați sub acțiunea unui câmp electric intern creează un flux prin joncțiunea p-n și prin circuitul extern, rezultând un curent (electricitate). Având în vedere creșterea rapidă a pieței și dezvoltarea unor aplicații creative, activitatea de cercetare și dezvoltare în domeniul materialelor inovatoare pentru energia solară se află la apogeu pentru a obține o eficiență maximă de transformare a energiei solare în energie electrică la costuri reduse. Trei tipuri de materiale semiconductoare foarte cercetate în prezent sunt Si cristalin, filmele subțiri și celulele solare perovskite (PSC) de ultimă generație.

Siliciu cristalin

Siliciu cristalin (c-Si) este cel mai utilizat material semiconductor în panourile solare, ocupând peste 90% din piața globală de energie fotovoltaică, deși eficiența este semnificativ sub limita teoretică (~30%). Sunt în curs de apariție celule solare realizate din materiale alternative cu costuri reduse și eficiență ridicată.

National Renewable Energy Laboratory (NREL) conduce dezvoltarea de PV cristaline de înaltă eficiență, care include materiale III-V multijoncțiune (cu o eficiență țintă de >30%) și celule solare hibride tandem III-V/Si. Celulele lor solare III-V cu șase joncțiuni au atins o eficiență de 47,1% la lumină concentrată. Mai mult, tehnologia bifacială bazată pe Si poate recolta energia solară de pe ambele părți ale panoului, cu 11% mai multă eficiență în comparație cu panourile standard.

Filme subțiri

Celele solare cu peliculă subțire de a doua generație apar ca fiind una dintre cele mai promițătoare tehnologii fotovoltaice datorită designului lor îngust (straturi de absorbție a luminii de 350 de ori mai mici în comparație cu panourile Si standard), greutății reduse, flexibilității și ușurinței de instalare. În mod obișnuit, în construcția lor se utilizează patru tipuri de materiale: cadmiu-telluridă (CdTe), siliciu amorf, cupru-indiu-galliu-selenidă (CIGS) și galiu-arsenidă (GaAs). În timp ce CdTe prezintă o problemă de toxicitate din cauza cadmiului, celulele solare CIGS se dovedesc a fi cele mai promițătoare opțiuni economice și de înaltă eficiență, atât pentru instalațiile rezidențiale, cât și pentru cele comerciale, cu o eficiență de până la 21%.

Ascent Solar este unul dintre jucătorii de top în producția de module CIGS de înaltă performanță, tehnologia CIGS superușoară și extremă fiind utilizată în sectorul spațial, aerospațial, guvernamental și public.

Celele solare perovskite

Printre celulele solare de ultimă generație, celulele solare hibride cu halogenuri metalice perovskite (PSC) au atras o mare atenție datorită prețului lor scăzut, designului mai subțire, prelucrării la temperaturi scăzute și proprietăților excelente de absorbție a luminii (performanță bună în condiții de lumină slabă și difuză). PSC-urile pot fi flexibile, ușoare și semitransparente. În special, filmele subțiri de perovskită pot fi, de asemenea, tipărite, ceea ce duce la o producție scalabilă de mare capacitate, iar un PSC tipărit recent de la rolă la rolă a atins o eficiență de 12,2%, cea mai mare dintre PSC-urile tipărite.

În mod notabil, materialele combinate de perovskit și Si-PV au prezentat o eficiență record de până la 28% în condiții de laborator, după cum a demonstrat Oxford PV. În timp ce stabilitatea și durabilitatea au rămas o preocupare majoră, un sistem recent de încapsulare a stivei de polimeri și sticlă cu costuri reduse a permis PSC-urilor să reziste în condiții de funcționare standard. Deși PSC-urile nu sunt încă comercializate, ele dețin avantaje economice și de eficiență semnificative pentru a impulsiona viitorul pieței de energie solară.

Care sunt tehnologiile revoluționare ale celulelor solare integratoare?

Pe lângă materialele inovatoare, apar și metode creative de recoltare a energiei solare maxime. De exemplu, start-up-ul elvețian Insolight folosește lentile integrate ca amplificatori optici în sticla de protecție a panourilor pentru a concentra fasciculele de lumină de 200 de ori, atingând în același timp o eficiență de 30%.

O altă evoluție recentă este proiectarea de prototipuri de dispozitive fotovoltaice termoradiative, sau panouri solare inversate, care pot genera electricitate pe timp de noapte prin utilizarea căldurii iradiate de panouri către spațiul adânc cuplat optic, care servește ca un radiator de căldură.

În mod interesant, alături de materialele inovatoare, sunt în creștere și aplicațiile integratoare, altele decât instalațiile standard de pe acoperișuri, care se află în prezent în fază incipientă. De exemplu, distilarea solară poate recolta energia solară, utilizând în același timp căldura disipată de panouri pentru a purifica apa, dacă există un accesoriu integrat de distilare cu membrană.

O altă tehnologie transformatoare a viitorului ar putea fi vopselele solare, care includ vopseaua solară cu hidrogen (generează energie din divizarea fotovoltaică a apei), punctele cuantice (vopsea fotovoltaică) și vopselele pe bază de perovskit.

În plus, ferestrele solare transparente sunt aplicații extrem de inovatoare, iar Ubiquitous Energy a obținut o eficiență de conversie a energiei solare în energie electrică de 10% cu materialele lor transparente. O demonstrație de la Universitatea de Stat din Michigan, un pionier în această tehnologie, poate fi văzută în acest videoclip:

Cu dezvoltarea rapidă a materialelor semiconductoare cu costuri reduse și de înaltă performanță, a peliculelor subțiri care economisesc spațiu și a tehnologiilor ușor de instalat, se așteaptă ca piața energiei solare să explodeze în următorii cinci ani. În ciuda regresului cauzat de pandemie, reducerea anticipată a costurilor de 15% până la 35% până în 2024 pentru instalațiile solare este încurajatoare și ar putea face această energie regenerabilă mai accesibilă.

Dacă aveți întrebări sau doriți să aflați dacă vă putem ajuta afacerea cu provocările sale în materie de inovare, vă rugăm să ne contactați aici sau să ne trimiteți un e-mail la [email protected].