Використання сонячної енергії: Глобальний погляд на дослідження в галузі сонячної енергетики

Сонце, небесна електростанція, пропонує невичерпне джерело чистої енергії. Протягом десятиліть вчені та інженери в усьому світі присвячували себе розкриттю його повного потенціалу, розширюючи межі можливого в сонячних дослідженнях. Це прагнення стосується не лише виробництва електроенергії; воно спрямоване на формування сталого майбутнього для нашої планети, забезпечення енергетичної безпеки та стимулювання економічного зростання в різноманітних світових спільнотах.

Від безкраїх пустель Близького Сходу до залитих сонцем рівнин Австралії, від гамірних мегаполісів Азії до інноваційних центрів Європи та Америки, сонячна енергія швидко трансформує глобальний енергетичний ландшафт. Цей всебічний огляд заглиблюється в багатогранний світ сонячних досліджень, висвітлюючи ключові досягнення, постійні виклики та захоплюючу траєкторію розвитку цієї життєво важливої галузі.

Еволюція фотоелектричних технологій: від кремнію і далі

В основі сонячної енергетики лежить фотоелектричний (ФЕ) ефект — процес, за допомогою якого матеріали перетворюють сонячне світло безпосередньо на електрику. Шлях розвитку ФЕ-технологій був шляхом невпинних інновацій, що в основному керувалися прагненням до вищої ефективності, нижчих витрат та більшої довговічності.

Кремній: домінуюча сила

Протягом більшої частини своєї історії кремній був робочою конячкою сонячної індустрії. Кристалічні кремнієві сонячні елементи, як монокристалічні, так і полікристалічні, наразі домінують на світовому ринку завдяки своїй доведеній надійності та налагодженим виробничим процесам. Однак дослідження продовжують вдосконалювати технології на основі кремнію:

• Технологія PERC (Passivated Emitter and Rear Cell): Вона стала стандартом для високоефективних кремнієвих елементів, значно покращуючи продуктивність за рахунок зменшення рекомбінації електронів.
• TOPCon (Tunnel Oxide Passivated Contact): З'являючись як наступник PERC, TOPCon пропонує ще вищу ефективність і набирає популярності на ринку.
• Гетероперехідна технологія (HJT): Поєднуючи кристалічний кремній з тонкими плівками аморфного кремнію, HJT-елементи можуть похвалитися відмінними температурними коефіцієнтами та двосторонніми можливостями, що дозволяє їм вловлювати сонячне світло з обох боків.
• Елементи з інтердигітованими тильними контактами (IBC): У цих елементах усі електричні контакти розміщені на задній стороні, що усуває затінення на передній стороні та максимізує поглинання світла, що веде до преміальної ефективності.

Поточні дослідження в галузі кремнієвих ФЕ зосереджені на подальшому зниженні виробничих витрат, покращенні продуктивності в умовах низької освітленості та підвищенні довговічності. Інновації у витонченні пластин, передові методи металізації та нові пасивуючі шари постійно сприяють досягненню цих цілей.

Новітні фотоелектричні матеріали: за межами кремнію

Хоча кремній залишається домінуючим, прагнення до ще більш ефективних, гнучких та економічно вигідних сонячних рішень стимулювало інтенсивні дослідження альтернативних матеріалів:

Перовськітні сонячні елементи: висхідні зірки

Перовськітні сонячні елементи захопили уяву дослідників у всьому світі завдяки своєму значному прогресу в ефективності, часто конкуруючи або навіть перевершуючи кремній в лабораторних умовах. Їхні ключові переваги включають:

• Висока ефективність перетворення енергії (PCE): Перовськітні елементи швидко досягли PCE, що перевищує 25%, що для кремнію зайняло десятиліття.
• Можливість обробки з розчину: Їх можна виготовляти за допомогою недорогих, заснованих на розчинах методів, що потенційно дозволяє виробництво за технологією roll-to-roll для гнучких та легких сонячних модулів.
• Регульована ширина забороненої зони: Оптичні властивості перовськітів можна налаштовувати, що робить їх ідеальними для тандемних сонячних елементів.

Однак залишаються проблеми, переважно пов'язані з довготривалою стабільністю та довговічністю перовськітних матеріалів під впливом навколишнього середовища (тепло, вологість, УФ-світло). Дослідницькі зусилля інтенсивно зосереджені на розробці стабільних перовськітних формул, ефективних методів інкапсуляції та безсвинцевих альтернатив для вирішення проблем токсичності. Такі країни, як Південна Корея, Німеччина та Китай, перебувають на передовій досліджень та розробок у галузі перовськітів.

Органічні фотоелементи (OPV)

Органічні фотоелементи (OPV), виготовлені з вуглецевих матеріалів, пропонують унікальні переваги, такі як гнучкість, прозорість та низькотемпературна обробка. Хоча їхня ефективність, як правило, нижча, ніж у кремнію чи перовськітів, їхні потенційні застосування величезні, включаючи інтеграцію в будівельні матеріали, носиму електроніку та розумні вікна.

Телурид кадмію (CdTe) та селенід міді, індію та галію (CIGS)

Ці тонкоплівкові технології зарекомендували себе як життєздатні альтернативи кремнію. CdTe, зокрема, досяг значного комерційного успіху завдяки своїй економічності та хорошій продуктивності у великих комунальних проєктах. CIGS пропонує гнучкість та хорошу продуктивність, але стикається зі складнощами у виробництві. Дослідження продовжуються для підвищення їхньої ефективності та зменшення використання матеріалів.

Тандемні сонячні елементи: розширюючи межі ефективності

Одним з найперспективніших напрямків для перевищення теоретичних меж ефективності одноперехідних сонячних елементів є розробка тандемних сонячних елементів. Ці пристрої складаються з декількох сонячних елементів, виготовлених з різних матеріалів, кожен з яких оптимізований для поглинання певної частини сонячного спектра. Це дозволяє більш повно використовувати сонячне світло.

• Перовськітно-кремнієві тандеми: Це поєднання є особливо захоплюючим, оскільки воно використовує високу ефективність перовськітів у синьому спектрі та встановлену продуктивність кремнію в червоному спектрі. Лабораторна ефективність цих тандемних елементів вже перевищила 30%, що є значним досягненням.
• Багатоперехідні елементи III-V: На сьогодні це найефективніші сонячні елементи, що досягають ефективності понад 40%. Однак їхня висока вартість виробництва обмежує їх застосування переважно космічними та спеціалізованими концентраторними фотоелектричними (CPV) системами. Дослідження спрямовані на зниження їхньої вартості для наземних застосувань.

Розробка ефективних та стабільних проміжних шарів між різними напівпровідниковими матеріалами є вирішальною для успіху тандемних сонячних елементів, і це залишається активною сферою глобальних досліджень.

За межами елемента: інновації в сонячних модулях та системах

Досягнення в сонячних технологіях виходять за рамки окремого сонячного елемента. Інновації в дизайні модулів, виробництві та системній інтеграції є однаково важливими для широкого впровадження та оптимальної продуктивності.

Двосторонні сонячні модулі

Двосторонні сонячні модулі, здатні вловлювати сонячне світло як з передньої, так і з задньої поверхні, завойовують значну частку ринку. Поглинаючи відбите світло від землі або навколишніх поверхонь, двосторонні модулі можуть збільшити виробництво енергії на 5-25% залежно від умов установки та альбедо (відбивної здатності) поверхні землі. Дослідження зосереджені на оптимізації дизайну модулів, монтажних конструкцій та вибору місця для максимального двостороннього приросту.

Концентраторні фотоелектричні системи (CPV)

Системи CPV використовують лінзи або дзеркала для концентрації сонячного світла на високоефективних сонячних елементах малої площі (часто багатоперехідних). Хоча вони вимагають прямого сонячного світла та систем стеження, CPV можуть досягати дуже високої системної ефективності. Дослідження в цій галузі зосереджені на вдосконаленні оптичних конструкцій, розробці більш надійних та економічно ефективних механізмів стеження та інтеграції CPV з іншими енергетичними технологіями.

Фотоелементи, інтегровані в будівлі (BIPV)

Фотоелементи, інтегровані в будівлі (BIPV), безшовно вбудовують сонячні елементи в будівельні матеріали, такі як дахи, фасади та вікна. Це не тільки виробляє чисту енергію, але й служить структурним або естетичним компонентом будівлі. Дослідження є вирішальними для розробки рішень BIPV, які є естетично привабливими, довговічними, стійкими до погодних умов та конкурентоспроможними за вартістю з традиційними будівельними матеріалами. Ключовими напрямками є інновації в кольорових сонячних елементах, прозорих ФЕ-технологіях та гнучкій інтеграції ФЕ.

Вирішальна роль зберігання енергії та інтеграції в мережу

Переривчастий характер сонячної енергії — залежність від наявності сонячного світла — вимагає надійних рішень для зберігання енергії та інтелектуальних стратегій інтеграції в мережу. Це критичний вузол, де сонячні дослідження перетинаються з ширшими інноваціями в енергетичних системах.

Досягнення в технологіях акумуляторів

Літій-іонні акумулятори залишаються домінуючою технологією для зберігання сонячної енергії, але дослідження швидко просувають інші хімічні сполуки та методи зберігання:

• Твердотільні акумулятори: Обіцяють вищу щільність енергії, швидшу зарядку та покращену безпеку порівняно з акумуляторами з рідким електролітом.
• Проточні акумулятори: Добре підходять для зберігання енергії в масштабах мережі завдяки своїй масштабованості та тривалому терміну служби.
• Натрій-іонні акумулятори: Нова альтернатива, що використовує більш поширені та менш дорогі матеріали, ніж літій.
• Механічне зберігання (гідроакумулювання, стиснене повітря): Ці перевірені технології доповнюють електрохімічне зберігання і є вирішальними для великомасштабної стабільності мережі.
• Зберігання теплової енергії: Зберігання тепла, що генерується сонячними тепловими колекторами, для подальшого використання у виробництві електроенергії або для опалення.

Дослідження спрямовані на покращення щільності енергії, терміну служби, швидкості зарядки, безпеки та економічної ефективності всіх цих технологій зберігання. Інтеграція цих рішень для зберігання з сонячними ФЕ є життєво важливою для забезпечення надійного та стабільного електропостачання.

Розумні мережі та управління попитом

Інтеграція великих обсягів змінної сонячної енергії в існуючі електромережі вимагає складних технологій розумних мереж. Це включає:

• Передове прогнозування: Точне прогнозування виробництва сонячної енергії для оптимізації роботи мережі.
• Управління попитом: Заохочення споживачів переносити своє споживання електроенергії на періоди високої доступності сонячної енергії.
• Модернізація мережі: Впровадження цифрових систем зв'язку та управління для ефективного керування розподіленими енергетичними ресурсами.
• Віртуальні електростанції (VPP): Об'єднання розподілених сонячних та накопичувальних активів, щоб діяти як єдине, диспетчеризоване джерело живлення.

Дослідження в галузі інтеграції в мережу зосереджені на розробці алгоритмів для оптимального управління, кібербезпеки для розумних мереж та політики, що сприяє безперешкодному впровадженню відновлюваних джерел енергії. Це глобальний виклик, де такі країни, як Німеччина, Данія та Каліфорнія, є лідерами у впровадженні розумних мереж.

Стале виробництво та циркулярна економіка для сонячної енергетики

Оскільки сонячна промисловість розширюється в усьому світі, забезпечення сталих виробничих практик та впровадження моделі циркулярної економіки стає першочерговим завданням.

Зменшення впливу на навколишнє середовище

Дослідження зосереджені на:

• Зменшення використання матеріалів: Розробка тонших пластин та більш ефективних тонкоплівкових технологій для мінімізації споживання кремнію та рідкісноземельних матеріалів.
• Екологічно чисті виробничі процеси: Мінімізація використання води, споживання енергії та хімічних відходів у виробництві сонячних панелей.
• Відповідальне постачання: Забезпечення етичного та сталого постачання сировини.

Переробка та повторне використання сонячних панелей

З прогнозованим зростанням сонячних установок, управління панелями, що вийшли з експлуатації, стає все більшою проблемою. Дослідження в галузі переробки сонячних панелей спрямовані на:

• Ефективне розділення матеріалів: Розробка економічно ефективних методів для відділення цінних матеріалів, таких як кремній, срібло, мідь та скло, від старих панелей.
• Замкнутий цикл переробки: Повернення відновлених матеріалів у виробничий процес.
• Розробка довговічних та ремонтопридатних панелей: Продовження терміну служби сонячних модулів зменшує частоту заміни та подальшу потребу в переробці.

Європейський Союз, з такими ініціативами, як Директива WEEE, створює сильний прецедент для принципів циркулярної економіки в сонячному секторі, заохочуючи дослідження та інвестиції в інфраструктуру переробки.

Глобальні виклики та можливості в сонячних дослідженнях

Прагнення до майбутнього, що живиться сонячною енергією, є глобальним зусиллям, яке сповнене як викликів, так і величезних можливостей.

Ключові виклики

• Зниження вартості: Хоча сонячні ФЕ стали все більш доступними, для універсальної доступності необхідне подальше зниження витрат на виробництво, монтаж та пов'язані технології (наприклад, зберігання).
• Переривчастість та стабільність мережі: Ефективне управління змінним виходом сонячної енергії для забезпечення надійності мережі залишається головним технічним та операційним викликом.
• Землекористування: Великомасштабні сонячні ферми вимагають значних земельних площ, що викликає занепокоєння щодо конкуренції з сільським господарством та біорізноманіттям.
• Залежність від ланцюгів постачання: Залежність від конкретних матеріалів та виробничих центрів може створювати геополітичні вразливості.
• Політика та регуляторні рамки: Непослідовна або несприятлива політика може перешкоджати інвестиціям та розгортанню в багатьох регіонах.

Нові можливості

• Цілі декарбонізації: Глобальні зобов'язання по боротьбі зі зміною клімату стимулюють безпрецедентний попит на відновлювану енергію, де сонячна енергетика займає провідне місце.
• Енергетична незалежність: Сонячна енергія пропонує країнам шлях до зменшення залежності від імпортованих викопних палив, підвищуючи енергетичну безпеку.
• Економічний розвиток: Сонячна промисловість створює робочі місця у виробництві, монтажі, обслуговуванні та дослідженнях, сприяючи економічному зростанню в усьому світі.
• Технологічні синергії: Поєднання сонячних технологій зі штучним інтелектом, передовими матеріалами та цифровізацією відкриває нові шляхи для інновацій.
• Країни, що розвиваються: Сонячна енергія є трансформаційною технологією для електрифікації сільських та недостатньо забезпечених громад, покращуючи якість життя та економічні можливості.

Майбутнє сонячних досліджень: погляд уперед

Сфера сонячних досліджень є динамічною і продовжує розвиватися прискореними темпами. Майбутні досягнення, ймовірно, будуть зосереджені на:

• Надвисокоефективні елементи: Перевершення поточних рекордів ефективності за допомогою нових матеріалів, складних тандемних структур та передових технік управління світлом.
• Відкриття матеріалів за допомогою ШІ: Використання штучного інтелекту та машинного навчання для прискорення відкриття та оптимізації нових фотоелектричних матеріалів.
• Інтегровані сонячні рішення: Безшовне вбудовування виробництва сонячної енергії в повсякденні об'єкти, інфраструктуру та навіть одяг.
• Прориви у стабільності перовськітів: Досягнення довготривалої експлуатаційної стабільності для перовськітних сонячних елементів, розкриваючи їх повний комерційний потенціал.
• Передова інтеграція зберігання енергії: Розробка високоефективних та економічно вигідних рішень для зберігання, які ідеально доповнюють виробництво сонячної енергії.
• Космічна сонячна енергетика: Дослідження концепції збору сонячної енергії в космосі та її бездротової передачі на Землю — довгострокове бачення з величезним потенціалом.

Спільні зусилля дослідників, інженерів, політиків та лідерів галузі по всьому світу є вирішальними для реалізації повного потенціалу сонячної енергії. Продовжуючи інвестувати та надавати пріоритет сонячним дослідженням, ми можемо прискорити перехід до чистого, сталого та справедливого енергетичного майбутнього для всіх.

Енергія сонця — це дар. А дослідження в галузі сонячної енергетики — це наш спосіб відповідально його розкрити.