Solenergi, den tredje största förnybara energikällan efter vattenkraft och vindkraft, har utvecklats som ett rent, hållbart och kraftfullt alternativ till fossila bränslen. Det solljus som träffar jorden motsvarar mer än 10 000 gånger världens totala energianvändning, och tekniken för att skörda så mycket solenergi som möjligt ökar snabbt. Sedan de första kommersiella solpanelerna av kisel (Si) som skapades av Bell Laboratories 1954 har den vanligaste tekniken i dag använt olika former av kiselbaserade solceller och omvandlat upp till 20 % av solljuset till elektricitet.
Enligt IEA:s marknadsanalys har produktionen av solceller (PV) – processen att omvandla solljus till elektricitet – nått 720 TWh år 2019 från 585 TWh år 2018 och förväntas växa upp till 1 940 TWh år 2025. Den nuvarande maximala globala kapaciteten för solenergi är 592 GW, vilket bidrar med 2,2 % till den globala elproduktionen.
- Vad är de nuvarande och kommande innovativa materialen?
- Kristallint kisel
- Tunnfilm
- Perovskitsolceller
- Vad är de banbrytande integrerade solcellsteknikerna?
- Om du har några frågor eller vill veta om vi kan hjälpa ditt företag med dess innovationsutmaningar, vänligen kontakta oss här eller mejla oss på [email protected].
Vad är de nuvarande och kommande innovativa materialen?
En typisk solcell består av halvledarmaterial som kisel av p- och n-typ med en skiktad p-n-övergång som är ansluten till en extern krets. Solbelysning på panelerna orsakar elektronutstötning från kisel. De utskjutna elektronerna under ett inre elektriskt fält skapar ett flöde genom p-n-övergången och den externa kretsen, vilket resulterar i en ström (elektricitet). Med en snabbt växande marknad och utvecklingen av kreativa tillämpningar är FoU&D på innovativa solenergimaterial på topp för att uppnå maximal effektivitet från sol till elektricitet till låg kostnad. Tre typer av mycket undersökta halvledarmaterial av idag är kristallint kisel, tunna filmer och nästa generations perovskitsolceller (PSC).
Kristallint kisel
Kristallint kisel (c-Si) är det mest använda halvledarmaterialet i solpaneler, och upptar mer än 90 % av den globala solcellsmarknaden, även om verkningsgraden ligger betydligt under den teoretiska gränsen (~30 %). Solceller tillverkade av alternativa material med låg kostnad och hög verkningsgrad håller på att växa fram.
National Renewable Energy Laboratory (NREL) driver utvecklingen av högeffektiva kristallina solceller, som omfattar III-V-multijunktionsmaterial (med en målsättning om en verkningsgrad på >30 %) och hybridtandem III-V/Si-solceller. Deras III-V-solceller med sex förgreningar har uppnått en verkningsgrad på 47,1 % i koncentrerat ljus. Dessutom kan Si-baserad bifacial teknik skörda solenergi från båda sidor av panelen, med 11 % högre effektivitet jämfört med standardpaneler.
Tunnfilm
Den andra generationens tunnfilmssolceller framstår som en av de mest lovande solcellsteknologierna på grund av sin smala design (350 gånger mindre ljusabsorberande skikt jämfört med vanliga Si-paneler), sin låga vikt, sin flexibilitet och sin enkla installation. Vanligtvis används fyra typer av material i deras konstruktion: kadmium-tellurid (CdTe), amorf kisel, koppar-indium-gallium-selenid (CIGS) och gallium-arsenid (GaAs). Medan CdTe har en toxicitetsproblematik på grund av kadmiumet, visar sig CIGS-solcellerna vara de mer lovande högeffektiva och ekonomiska alternativen för både bostäder och kommersiella installationer, med en verkningsgrad på upp till 21 %.
Perovskitsolceller
Av nästa generations solceller har hybridmetallhalogenidperovskitsolceller (PSC) rönt stor uppmärksamhet på grund av deras låga pris, tunnare konstruktion, bearbetning vid låg temperatur och utmärkta ljusabsorberingsegenskaper (bra prestanda vid svagt och diffust ljus). PSC kan vara flexibla, lätta och halvtransparenta. Framför allt kan perovskit-tunna filmer också skrivas ut, vilket leder till skalbar tillverkning med hög genomströmning, och en nyligen utskriven PSC som skrivits ut från rulle till rulle har uppnått en effektivitet på 12,2 %, vilket är den högsta bland tryckta PSC:er.
Noterbart är att kombinerade perovskit- och Si-PV-material har uppvisat en rekordhög verkningsgrad på upp till 28 % under laboratorieförhållanden, vilket har visats av Oxford PV. Stabilitet och hållbarhet har förblivit ett stort problem, men ett nytt billigt inkapslingssystem för polymer- och glasstackar har nyligen gjort det möjligt för PSC:erna att klara av standard driftsförhållanden. Även om PSC fortfarande inte har kommersialiserats har de betydande ekonomiska och effektiva fördelar för att driva framtidens solenergimarknad.
Vad är de banbrytande integrerade solcellsteknikerna?
Avsevärt innovativa material, kreativa metoder för att skörda maximal solenergi håller också på att växa fram. Det schweiziska nystartade företaget Insolight använder till exempel integrerade linser som optiska förstärkare i panelernas skyddsglas för att koncentrera ljusstrålarna 200 gånger och samtidigt uppnå en effektivitet på 30 %.
En annan ny utveckling är utformningen av prototyper av termoradiativa solcellsanläggningar, eller omvända solpaneler, som kan generera elektricitet på natten genom att utnyttja den värme som strålar från panelerna till det optiskt kopplade djupa utrymmet, som fungerar som en värmesänka.
Interessant nog ökar också, tillsammans med innovativa material, andra integrerande tillämpningar än standardinstallationer på hustak, som för närvarande befinner sig i sin linda. Soldestillation kan till exempel skörda solenergi och samtidigt utnyttja den avgivna värmen från panelerna för att rena vatten, om det finns ett integrerat membrandestillationssystem.
En annan omvälvande teknik för framtiden kan vara solfärger, som omfattar solfärgsväte (genererar energi från solcellsbaserad vattenspjälkning), kvantprickar (solcellsbaserad färg) och perovskitbaserade färger.
Det finns dessutom genomskinliga solfönster som är mycket innovativa tillämpningar, och Ubiquitous Energy har uppnått en omvandlingseffektivitet från sol till elektricitet på 10 % med sina genomskinliga material. En demonstration från Michigan State University, en pionjär inom denna teknik, kan ses i den här videon:
Med den snabba utvecklingen av billiga, högpresterande halvledarmaterial, rymdbesparande tunnfilmer och lättinstallerad teknik förväntas solenergimarknaden blomstra under de kommande fem åren. Trots bakslaget till följd av pandemin är den förväntade kostnadsminskningen på 15-35 % fram till 2024 för solcellsinstallationer uppmuntrande och kan göra denna förnybara energi mer överkomlig.