Использование энергии Солнца: Глобальное погружение в исследования солнечной энергетики

Солнце, небесная электростанция, предлагает неисчерпаемый источник чистой энергии. Десятилетиями ученые и инженеры по всему миру посвящали себя раскрытию его полного потенциала, расширяя границы возможного в исследованиях солнечной энергетики. Это стремление направлено не просто на выработку электроэнергии; оно заключается в формировании устойчивого будущего для нашей планеты, обеспечении энергетической безопасности и стимулировании экономического роста в различных мировых сообществах.

От обширных пустынь Ближнего Востока до залитых солнцем равнин Австралии, от шумных мегаполисов Азии до инновационных центров Европы и Америки, солнечная энергия стремительно трансформирует глобальный энергетический ландшафт. Это всестороннее исследование погружает в многогранный мир исследований солнечной энергетики, освещая ключевые достижения, нерешенные проблемы и захватывающую траекторию развития этой жизненно важной области.

Эволюция фотоэлектрической технологии: от кремния и дальше

В основе солнечной энергии лежит фотоэлектрический (ФЭ) эффект — процесс, при котором материалы преобразуют солнечный свет непосредственно в электричество. Путь развития фотоэлектрической технологии был путем неустанных инноваций, в основном обусловленных стремлением к повышению эффективности, снижению затрат и увеличению долговечности.

Кремний: доминирующая сила

На протяжении большей части своей истории кремний был рабочей лошадкой солнечной индустрии. Солнечные элементы из кристаллического кремния, будь то монокристаллические или поликристаллические, в настоящее время доминируют на мировом рынке благодаря их доказанной надежности и отлаженным производственным процессам. Однако исследования продолжают совершенствовать технологии на основе кремния:

• Технология PERC (Passivated Emitter and Rear Cell): Это стало стандартом для высокоэффективных кремниевых элементов, значительно улучшая производительность за счет снижения рекомбинации электронов.
• TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact): Появляясь как преемник PERC, TOPCon предлагает еще более высокую эффективность и набирает популярность на рынке.
• Гетеропереходная технология (HJT): Сочетая кристаллический кремний с тонкопленочным аморфным кремнием, элементы HJT обладают превосходными температурными коэффициентами и двусторонними возможностями, позволяя им улавливать солнечный свет с обеих сторон.
• Элементы с интердигитальными задними контактами (IBC): В этих элементах все электрические контакты размещены на задней стороне, что устраняет затенение спереди и максимизирует поглощение света, приводя к премиальной эффективности.

Текущие исследования в области кремниевой фотовольтаики сосредоточены на дальнейшем снижении производственных затрат, улучшении производительности в условиях низкой освещенности и повышении долговечности. Инновации в утонении пластин, передовые методы металлизации и новые пассивирующие слои постоянно способствуют достижению этих целей.

Новые фотоэлектрические материалы: за пределами кремния

Хотя кремний остается доминирующим, стремление к созданию еще более эффективных, гибких и экономичных солнечных решений стимулировало интенсивные исследования альтернативных материалов:

Перовскитные солнечные элементы: восходящие звезды

Перовскитные солнечные элементы захватили воображение исследователей по всему миру благодаря их значительному прогрессу в эффективности, часто сравнимому или даже превосходящему кремний в лабораторных условиях. Их ключевые преимущества включают:

• Высокая эффективность преобразования энергии (КПД): Перовскитные элементы быстро достигли КПД, превышающего 25%, что для кремния заняло десятилетия.
• Возможность обработки из раствора: Их можно изготавливать с использованием недорогих методов на основе растворов, что потенциально позволяет использовать рулонное производство для гибких и легких солнечных модулей.
• Настраиваемая ширина запрещенной зоны: Оптические свойства перовскитов можно настраивать, что делает их идеальными для тандемных солнечных элементов.

Однако проблемы остаются, в первую очередь касающиеся долгосрочной стабильности и долговечности перовскитных материалов под воздействием окружающей среды (тепло, влажность, УФ-излучение). Исследовательские усилия интенсивно сосредоточены на разработке стабильных перовскитных составов, эффективных методов инкапсуляции и безсвинцовых альтернатив для решения проблем токсичности. Страны, такие как Южная Корея, Германия и Китай, находятся в авангарде исследований и разработок в области перовскитов.

Органическая фотовольтаика (OPV)

Органические фотоэлектрические (OPV) элементы, изготовленные из материалов на основе углерода, предлагают уникальные преимущества, такие как гибкость, прозрачность и низкотемпературная обработка. Хотя их эффективность, как правило, ниже, чем у кремния или перовскитов, их потенциальные применения огромны, включая интеграцию в строительные материалы, носимую электронику и умные окна.

Теллурид кадмия (CdTe) и селенид меди-индия-галлия (CIGS)

Эти тонкопленочные технологии зарекомендовали себя как жизнеспособные альтернативы кремнию. В частности, CdTe достиг значительного коммерческого успеха благодаря своей экономической эффективности и хорошей производительности в крупномасштабных проектах. CIGS предлагает гибкость и хорошую производительность, но сталкивается со сложностями в производстве. Исследования продолжаются для повышения их эффективности и сокращения использования материалов.

Тандемные солнечные элементы: расширяя границы эффективности

Одним из наиболее перспективных направлений для превышения теоретических пределов эффективности однопереходных солнечных элементов является разработка тандемных солнечных элементов. Эти устройства состоят из нескольких солнечных элементов, изготовленных из разных материалов, каждый из которых оптимизирован для поглощения определенной части солнечного спектра. Это позволяет более полно использовать солнечный свет.

• Перовскитно-кремниевые тандемы: Эта комбинация особенно интересна, так как она использует высокую эффективность перовскитов в синем спектре и устоявшуюся производительность кремния в красном спектре. Лабораторная эффективность этих тандемных элементов уже превысила 30%, что является значительным достижением.
• Многопереходные элементы на основе III-V соединений: В настоящее время это самые эффективные доступные солнечные элементы, достигающие эффективности более 40%. Однако их высокая стоимость производства ограничивает их применение в основном космосом и специализированными концентраторными фотоэлектрическими (CPV) системами. Исследования направлены на снижение их стоимости для наземного применения.

Разработка эффективных и стабильных межслойных материалов между различными полупроводниками имеет решающее значение для успеха тандемных солнечных элементов, и это остается активной областью глобальных исследований.

За пределами элемента: инновации в солнечных модулях и системах

Достижения в солнечных технологиях выходят за рамки отдельного солнечного элемента. Инновации в дизайне модулей, производстве и системной интеграции одинаково важны для широкого внедрения и оптимальной производительности.

Двусторонние солнечные модули

Двусторонние солнечные модули, способные улавливать солнечный свет как с передней, так и с задней поверхности, завоевывают значительную долю рынка. Поглощая отраженный свет от земли или окружающих поверхностей, двусторонние модули могут увеличить выработку энергии на 5-25% в зависимости от условий установки и альбедо (отражательной способности) поверхности земли. Исследования сосредоточены на оптимизации дизайна модулей, монтажных конструкций и выборе места для максимального двустороннего прироста.

Концентраторная фотовольтаика (CPV)

Системы CPV используют линзы или зеркала для концентрации солнечного света на высокоэффективные солнечные элементы малой площади (часто многопереходные элементы). Хотя они требуют прямого солнечного света и систем слежения, CPV могут достигать очень высокой системной эффективности. Исследования в этой области сосредоточены на улучшении оптических конструкций, разработке более надежных и экономичных механизмов слежения и интеграции CPV с другими энергетическими технологиями.

Фотовольтаика, интегрированная в здания (BIPV)

Фотовольтаика, интегрированная в здания (BIPV), бесшовно встраивает солнечные элементы в строительные материалы, такие как крыши, фасады и окна. Это не только генерирует чистую энергию, но и служит структурным или эстетическим компонентом здания. Исследования имеют решающее значение для разработки решений BIPV, которые являются эстетически привлекательными, долговечными, устойчивыми к погодным условиям и конкурентоспособными по стоимости с обычными строительными материалами. Ключевыми областями являются инновации в цветных солнечных элементах, прозрачных фотоэлектрических технологиях и гибкой интеграции ФЭ.

Ключевая роль хранения энергии и интеграции в энергосистему

Прерывистый характер солнечной энергии, зависящий от доступности солнечного света, требует надежных решений для хранения энергии и интеллектуальных стратегий интеграции в энергосистему. Это критически важный узел, где исследования солнечной энергетики пересекаются с более широкими инновациями в энергетической системе.

Достижения в технологии аккумуляторов

Литий-ионные аккумуляторы остаются доминирующей технологией для хранения солнечной энергии, но исследования быстро продвигают другие химические составы и методы хранения:

• Твердотельные аккумуляторы: Обещают более высокую плотность энергии, более быструю зарядку и повышенную безопасность по сравнению с аккумуляторами с жидким электролитом.
• Проточные аккумуляторы: Хорошо подходят для хранения энергии в масштабах сети благодаря своей масштабируемости и длительному сроку службы.
• Натрий-ионные аккумуляторы: Новая альтернатива, использующая более распространенные и менее дорогие материалы, чем литий.
• Механическое хранение (гидроаккумулирующие станции, сжатый воздух): Эти проверенные технологии дополняют электрохимическое хранение и имеют решающее значение для крупномасштабной стабильности сети.
• Хранение тепловой энергии: Хранение тепла, полученного от солнечных тепловых коллекторов, для последующего использования в производстве электроэнергии или для отопления.

Исследования направлены на улучшение плотности энергии, срока службы, скорости зарядки, безопасности и экономической эффективности всех этих технологий хранения. Интеграция этих решений для хранения с солнечной фотовольтаикой жизненно важна для обеспечения надежного и стабильного электроснабжения.

Умные сети и управление спросом

Интеграция огромного количества переменной солнечной энергии в существующие электросети требует сложных технологий умных сетей (smart grid). Это включает в себя:

• Продвинутое прогнозирование: Точное предсказание выработки солнечной энергии для оптимизации работы сети.
• Управление спросом: Поощрение потребителей к смещению их потребления электроэнергии на периоды высокой доступности солнечной энергии.
• Модернизация сетей: Внедрение цифровых систем связи и управления для эффективного управления распределенными энергетическими ресурсами.
• Виртуальные электростанции (VPP): Объединение распределенных солнечных и накопительных активов для работы в качестве единого, управляемого источника энергии.

Исследования в области интеграции в сеть сосредоточены на разработке алгоритмов для оптимального управления, кибербезопасности для умных сетей и политик, способствующих бесшовной интеграции возобновляемых источников энергии. Это глобальная проблема, и такие страны, как Германия, Дания и Калифорния, лидируют во внедрении умных сетей.

Устойчивое производство и циркулярная экономика для солнечной энергетики

По мере глобального масштабирования солнечной индустрии обеспечение устойчивых производственных практик и внедрение модели циркулярной экономики становится первостепенной задачей.

Снижение воздействия на окружающую среду

Исследования сосредоточены на:

• Сокращение использования материалов: Разработка более тонких пластин и более эффективных тонкопленочных технологий для минимизации потребления кремния и редкоземельных материалов.
• Экологически чистые производственные процессы: Минимизация использования воды, потребления энергии и химических отходов при производстве солнечных панелей.
• Ответственная добыча сырья: Обеспечение этичной и устойчивой закупки сырьевых материалов.

Переработка и повторное использование солнечных панелей

С прогнозируемым ростом числа солнечных установок, утилизация панелей по окончании срока службы становится растущей проблемой. Исследования в области переработки солнечных панелей направлены на:

• Эффективное разделение материалов: Разработка экономически эффективных методов для разделения ценных материалов, таких как кремний, серебро, медь и стекло, из отработанных панелей.
• Замкнутый цикл переработки: Возвращение извлеченных материалов обратно в производственный процесс.
• Разработка долговечных и ремонтопригодных панелей: Продление срока службы солнечных модулей снижает частоту замены и последующую потребность в переработке.

Европейский Союз, с такими инициативами, как Директива WEEE, устанавливает сильный прецедент для принципов циркулярной экономики в солнечном секторе, поощряя исследования и инвестиции в инфраструктуру переработки.

Глобальные вызовы и возможности в исследованиях солнечной энергетики

Стремление к будущему, основанному на солнечной энергии, является глобальным начинанием, полным как вызовов, так и огромных возможностей.

Ключевые вызовы

• Снижение затрат: Хотя солнечная фотовольтаика стала значительно доступнее, для всеобщей доступности необходимо дальнейшее снижение затрат на производство, установку и сопутствующие технологии (например, хранение).
• Прерывистость и стабильность сети: Эффективное управление переменной выработкой солнечной энергии для обеспечения надежности сети остается основной технической и операционной задачей.
• Землепользование: Крупномасштабные солнечные фермы требуют значительных земельных площадей, что вызывает обеспокоенность по поводу конкуренции с сельским хозяйством и биоразнообразием.
• Зависимость от цепочек поставок: Опора на конкретные материалы и производственные центры может создавать геополитические уязвимости.
• Политическая и нормативная база: Непоследовательная или неблагоприятная политика может препятствовать инвестициям и развертыванию во многих регионах.

Новые возможности

• Цели по декарбонизации: Глобальные обязательства по борьбе с изменением климата стимулируют беспрецедентный спрос на возобновляемую энергию, где солнечная энергетика находится на переднем крае.
• Энергетическая независимость: Солнечная энергия предлагает странам путь к снижению зависимости от импортируемых ископаемых видов топлива, повышая энергетическую безопасность.
• Экономическое развитие: Солнечная индустрия создает рабочие места в производстве, установке, обслуживании и исследованиях, способствуя экономическому росту во всем мире.
• Технологические синергии: Сближение солнечных технологий с искусственным интеллектом, передовыми материалами и цифровизацией открывает новые пути для инноваций.
• Развивающиеся страны: Солнечная энергия является преобразующей технологией для электрификации сельских и недостаточно обслуживаемых сообществ, улучшая качество жизни и экономические возможности.

Будущее исследований солнечной энергетики: взгляд вперед

Область исследований солнечной энергетики динамична и продолжает развиваться ускоренными темпами. Будущие достижения, вероятно, будут сосредоточены на:

• Сверхвысокоэффективные элементы: Преодоление текущих рекордов эффективности за счет новых материалов, сложных тандемных структур и передовых методов управления светом.
• Открытие материалов с помощью ИИ: Использование искусственного интеллекта и машинного обучения для ускорения открытия и оптимизации новых фотоэлектрических материалов.
• Интегрированные солнечные решения: Бесшовное встраивание производства солнечной энергии в повседневные объекты, инфраструктуру и даже одежду.
• Прорывы в стабильности перовскитов: Достижение долгосрочной эксплуатационной стабильности для перовскитных солнечных элементов, раскрытие их полного коммерческого потенциала.
• Передовая интеграция хранения энергии: Разработка высокоэффективных и экономичных решений для хранения, которые идеально дополняют выработку солнечной энергии.
• Космическая солнечная энергетика: Изучение концепции сбора солнечной энергии в космосе и ее беспроводной передачи на Землю — долгосрочное видение с огромным потенциалом.

Совместные усилия исследователей, инженеров, политиков и лидеров отрасли по всему миру имеют решающее значение для реализации полного потенциала солнечной энергии. Продолжая инвестировать и уделять приоритетное внимание исследованиям в области солнечной энергетики, мы можем ускорить переход к чистому, устойчивому и справедливому энергетическому будущему для всех.

Энергия солнца — это дар. А исследования в области солнечной энергетики — это наш способ ответственно его распаковать.