Время для восхода и сияния: отчеты по эффективности солнечной энергии разрушаются в результате последних достижений

В прошлом месяце исследователь Национальной лаборатории по возобновляемым источникам энергии в Голландии, штат Колорадо, загрузил солнечный элемент размером с почтовую марку на лоток и разместил его под симулятором солнечного симулятора высокой интенсивности. Симулятор высветил миллисекундный импульс света 2.5, а зеркала 19 отразили фотоны на ячейке. В течение нескольких миллисекунд данные передавались через петлевое гнездо проводов на компьютеры NREL. Исследователи хрустнули и исправили цифры, и супервизор производительности устройства Кейт Эмери подтвердил их: был установлен новый мировой рекорд солнечной фотоэлектрической эффективности.

В высоких долях, высокотехнологичном мире фотогальваники, оценка сохраняется в процентах от сырой солнечной энергии, попадающей в ячейку, которая преобразуется в электричество. Поскольку его лаборатория является единственной в США, сертифицированной Международной электротехнической комиссией для проверки эффективности солнечных батарей, Эмери является неофициальным солнечным счетчиком страны.

Мы находимся в эпоху Возрождения фотогальванических исследований, в которых постоянные инновации повышают эффективность всех типов солнечных элементов - от самого традиционного кристаллического кремния до тонкопленочного теллурида кадмия - до большого количества новых открытий, таких как перовскитных клеток. Мировые рекорды разбиваются на рекордные темпы, и исследователи этого последнего рекордсмена знают лучше, чем праздновать слишком долго.

Солнечный святой Грааль: паритет сетки

Почти все в фотогальваническом сообществе - даже те, что остались в пыли благодаря последним нововведениям - согласны с тем, что это постоянное однократное улучшение - это очень хорошая вещь. Для солнечной промышленности рейтинги эффективности - это гораздо больше, чем права хвастовства или корма для предложений о грантах на исследования. Они являются ключевыми для приближения к «паритету сетки» - точка, в которой электрическая фотоэлектрическая система производит затраты, такие же (или меньше), что и на угольных и газовых заводах.

«Когда вы сможете разработать солнечные элементы, обладающие сверхвысокой эффективностью, вы сможете сэкономить по всем направлениям», — говорит физик Джон Роджерс из Университета Иллинойса в Урбана-Шампейн, широко уважаемый лидер в области фотоэлектрических исследований. «Вы уменьшаете количество модулей, которые строите. Вы снижаете стоимость установки. Стоимость обслуживания снижается. Количество земли, которая вам нужна, уменьшается».


графика подписки внутри себя


Эмпирическое правило в мире солнечной энергии заключается в том, что фотовольтаика сможет конкурировать непосредственно с углем и природным газом, когда их стоимость производства электроэнергии достигает $ 1 на ватт ». Основное предположение заключается в том, что когда вы приносите что-то к паритету сетки, принятие технологии намного лучше », - говорит Рамаморти Рамеш, основатель Программа SunShot Министерства энергетики США, который был запущен в 2011 с целью принести стоимость солнечной энергии для удовлетворения или изгнания стоимости электроэнергии из ископаемого топлива.

Эмпирическое правило в мире солнечной энергии заключается в том, что фотовольтаика сможет конкурировать непосредственно с углем и природным газом, когда их стоимость производства электроэнергии достигает $ 1 на ватт. В то время, когда SunShot начался, стоимость солнечного PV-электричества составляла $ 5 на ватт. Три года спустя, Ramesh сообщает, что затраты уже упали примерно до $ 2.80 на ватт.

Тем не менее, большинство низкопробных фруктов для экономии средств уже выбраны, и избыток китайских солнечных панелей стал большим фактором доступности солнечной энергии. Чтобы сбрить следующий $ 1.80, создание клеток с более высокой эффективностью и перенос этих открытий из лаборатории в реальный мир будет иметь важное значение.

«С фотогальваникой мы знаем, что делать, - говорит Рамеш. «Нам необходимо снизить затраты на производство и повысить эффективность».

Solar предлагает множество возможностей для повышения эффективности

Возможности для повышения эффективности много. Одной из важных областей фокусировки является полупроводниковый материал, используемый для захвата световой энергии и превращения ее в ток. Каждый материал, используемый в качестве полупроводника, имеет уникальные сильные стороны и ограничения в отношении эффективности, как правило, потому что каждый из них лучше всего поглощает определенный сегмент спектра естественного света - поэтому поиск постоянно идет на материалы, которые могут немного улучшить.

Чтобы максимизировать эффективность, инженеры постоянно возились со всеми аспектами этих микроскопических ячеек. Другие факторы также влияют на конечную эффективность ячейки: как полупроводниковый материал со временем ухудшается, как архитектура ячейки позволяет абсорбировать, насколько точно электроды фиксируют ток, создаваемый полупроводником, и направляют его на эффективное использование в качестве электричества. Чтобы максимизировать эффективность, инженеры постоянно возились со всеми аспектами этих микроскопических ячеек - изменяя химикаты и конструкции, чтобы в конечном итоге получить лучший ток и напряжение.

Из-за различной потенциальной эффективности различных материалов и конструкций показатель эффективности записи для определенного класса фотоэлектрических элементов может быть намного выше, чем другой. Лучшие тонкопленочные солнечные элементы в мире превышают 23 процентов, тогда как лучшие ячейки на основе кремния достигают 26 процентов, а лучшие многоразрядные ячейки (которые используют ассортимент полупроводников, уложенных друг на друга) очищают 44 процентов ,

Но многоразъемные ячейки намного дороже в производстве и не могут использоваться в широко распространенных настройках крыши. Таким образом, кремниевая ячейка, которая регистрируется лучше, чем эффективность 25 процентов, кажутся такими же захватывающими и многообещающими, как многосетевая ячейка, которая работает на 40.

Можем ли мы ожидать непрерывного увеличения солнечной эффективности?

Когда вы изображаете солнечную панель - на крыше или в большой растянутой фотоэлектрической ферме, скорее всего, у вас есть изображение кристаллического кремния в голове. На протяжении десятилетий кремний был рабочей лошадкой фотогальваники во всем мире, безусловно, наиболее распространенным полупроводником для солнечных элементов. «Silicon был вокруг 80 до 90 процентов рынка для чего-то вроде 20 лет», - говорит Сара Куртц, менеджер группы надежности NREL.

В течение этих десятилетий эффективность кремниевых клеток неуклонно возрастала, но медленно, и преобладающее отношение заключалось в том, что не было намного больше эффективности, которую можно было бы уговорить из кремния. До не давнего времени.

У компании, занимающейся выскочкой кремния, TetraSun, есть исследователи NREL, и конкуренты видят красный цвет. Повернув пару силиконовых соглашений на ухо, TetraSun зарегистрировал эффективность 21 процентов всего за 18 месяцев работы. Хотя это может показаться не очень-то большим, он уже избивает типичные экранированные силиконовые ячейки - на сегодняшний день наиболее распространенные на крышах - некоторые серьезные процентные пункты.

Секрет TetraSun заключается в том, что некоторые известные спортсмены производительности: допинг. Все кремниевые пластины легированы (химически обработаны), но так называемые «клетки N-типа» TetraSun легируются фосфором. Это препятствует тому, чтобы клетки страдали от одной и той же вызванной светом деградации, которая наносит вред обычным пластинам типа «P-type», легированным бором, что помогает поддерживать эффективность дольше в течение жизни панели. 

Такие усилия по замене менее дорогостоящих материалов для дорогих компонентов становятся все более важными, поскольку компании стремятся построить более крупные солнечные фотогальванические установки.

Ячейки N-типа TetraSun также двухсторонние, с некоторой интеллектуальной архитектурой, которая позволяет полупроводнику фиксировать косвенный солнечный свет, который отскакивает от нижней части модуля. И, кроме того, TetraSun поменял серебряную сетку, которая строит фронт типичной кремниевой фотогальванической панели, направив электрический ток на ячейку для медных электродов. Это было не так уж и просто: месяцами и месяцами инженеры TetraSun работали с экспертами NREL, чтобы выяснить, как заставить меди, довольно непослушный материал, вести себя. Наконец, медь застряла в образовании, сетчатые линии примерно на двадцать пятой ширины человеческого волоса.

Такие усилия по замене менее дорогостоящих материалов для дорогих компонентов становятся все более важными, поскольку компании стремятся к созданию более крупных солнечных фотоэлектрических установок, научный аналитик NREL аналитической микроскопии Мовафак Аль-Джассим сказал SolarReviews В ноябре прошлого года.

По состоянию на февраль, панели, оснащенные медно-облицованными ячейками TetraSun, поглощают лучи на крышах настоящих платежных клиентов. Компания была приобретена компанией First Solar, крупным игроком на коммерческой солнечной энергии, которая сразу же выпустила продукт TetraSun в качестве первой линии для крыш.

Потенциальная восходящая звезда: перовскитовые солнечные элементы

Если кремниевые исследователи пытаются научить старых трюков новой собаке, новый солнечный материал, называемый перовскитом, представляет собой новую экзотическую собачью породу, которая поворачивает головы и бросает челюсти. Перовскитные клетки (названные в честь минерала, обнаруженного в Уральских горах), стреляют по диаграммам эффективности быстрее, чем все, что когда-либо видел фотогальванический мир.

Только в 2009 перовскит даже считался полупроводником в солнечных батареях. В то время японский ученый, экспериментировавший с ним, регистрировал эффективность 3.8 процентов. В прошлом месяце команда из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе сообщила о 19.3 процентах.

Перовскитные клетки "представляют собой вариацию на сенсибилизированных красителем клетках, которые были обработаны в течение довольно долгого времени", - объясняет Курц, имея в виду новый класс клеток, который существенно заменяет твердотельные полупроводниковые пластины светопоглощающими органическими красителями. «Только в прошлом году [исследователи] выяснили комбинацию материалов, которая позволяет повысить эффективность». И с тех пор это было в гонке.

Самым большим преимуществом перовскита является то, насколько легко работать. Его можно выращивать в жидкости и в основном печатать на базовом материале, что делает его простым и дешевым производство солнечных батарей, которое легко переносится из высокотехнологичных исследовательских лабораторий на фабрики.

Одна из проблем: наиболее эффективные перовскитовые ячейки смешиваются с свинцом, который может работать в безопасных пределах лаборатории, но никто не собирается надеть их крыши. Однако в прошлом месяце две отдельные исследовательские группы опубликовали многообещающие результаты ранних экспериментов по смешиванию перовскита с оловом. Олово не только безопаснее и экологичнее свинца, но и намного дешевле.

«Олово - очень жизнеспособный материал, и мы показали, что материал действительно работает как эффективный солнечный элемент», - сказал Меркури Канатидис, химик Северо-Западного университета в заявление в прошлом месяце объявляя результаты своей команды. «Олово и свинец находятся в одной группе в периодической таблице, поэтому мы ожидаем подобных результатов».

Разумеется, вопрос о наличии успеха в перовскитных солнечных элементах - открытый вопрос. Клетки еще не доказали свою жизнеспособность в реальных стеклянных и металлических модулях, и вся область слишком молода, чтобы иметь какое-либо представление о том, насколько хорошо они выдерживают с течением времени.

Штабелирование ячеек - еще один прорыв

Для Роджерса штабелирование ячеек - это способ преодолеть пределы эффективности традиционных фотогальванических элементов. Любой материал солнечной батареи (такой как кремний или теллурид кадмия, самая популярная форма тонкой пленки), объясняет Роджерс, отлично подходит для поглощения определенной ограниченной части спектра света Солнца. Однако, поскольку они только настроены на эти длины волн, все основные солнечные элементы имеют теоретический предел. (Кристаллический кремний составляет около 29 процентов, известный в области как предел Шокли-Киссера).

Стратегия Роджерса состоит в том, чтобы складывать разные материалы - каждый слой подбирает другую часть спектра света ». Способ повышения эффективности состоит в том, чтобы проектировать солнечные элементы, которые могут работать во всем спектральном диапазоне, связанном с входящими фотонами от солнца , и это довольно широкий диапазон », - говорит Роджерс.

Стратегия Роджерса состоит в том, чтобы складывать разные материалы - каждый слой собирает другой кусок спектра света. «Вы можете создать солнечный элемент, который отлично работает в зеленом, но паршивом в красном цвете, - объясняет он, - но затем складывается на другой, который настроен на эффективную работу в красном».

Получающиеся в результате полупроводниковые стеки крошечные - меньше, чем миллиметровый квадрат каждый, - но стеклянная панель, которая опирается на них, содержит линзы, которые фокусируют солнечный свет непосредственно на каждом стеке, как плохой ребенок, сжигающий ошибку с увеличительным стеклом. Каждый бит света, попадающий на панель, встречает минимальный стек ячеек.

Этот подвиг микроинжиниринга, который, чтобы жестоко упростить его, включает в себя выращивание каждого слоя на другом субстрате, вытравливание желаемых ячеек, «резиновое тиснение» полупроводников на самой ячейке, а затем укладка их на четыре слоя толщиной - фактически работает. Команда Rogers только что объявила о четырехслойной ячейке, которая работала в лаборатории с эффективностью 42.5 процентов.

Роджерс теперь работает с компанией из Северной Каролины под названием Semprius, чтобы помещать многоконтактные ячейки, подобные им, в готовые к модулю модули. Даже со всеми ассортиментами модулей Semprius достигают КПД 35 процентов, что является «абсолютно самым производительным модулем», - говорит Роджерс. «Это даже не близко».

Домовладельцы, вероятно, не будут размещать заказ с Semprius, потому что эти модули не для крыш. Они «лучше всего подходят для солнечных электростанций коммунального масштаба, или вы можете себе представить, что они установлены в индустриальных парках и фермах данных. Мы говорим о сверхнизкой стоимости, крупномасштабном производстве электроэнергии », - говорит Роджерс.

Достаточно низкая стоимость для достижения паритета сетки? Так думает Siemens, массивный немецкий солнечный лидер. Компания является ранним инвестором в Semprius, и Роджерс называет свою оценку технологии «наиболее вдохновляющей».

«Они взглянули и сказали, что это может быть дешевле, чем уголь».

И все же, верный характеру стремления к лучшему фотогальванике, это еще не конец истории. Еще в лаборатории Роджерс говорит, что с небольшими хитростями его команда сможет получить рейтинг эффективности выше 50 процентов. «Мы можем пройти долгий путь без другого прорыва».

Оставайтесь с нами.

Эта статья первоначально появилась на Ensia


Об авторе

jervey benБен Ирвей - писатель и редактор, охватывающий климат, энергию и окружающую среду. Он регулярно пишет National Geographic News, На землекачества DeSmogBlog, Недавно он работал с Focus the Nation, чтобы опубликовать Энергетический праймер 101, Велосипедный энтузиаст, Бен ездил по Соединенным Штатам и через большую часть Европы.


Рекомендуемые книги:

Как изменить мир: социальные предприниматели и сила новых идей, обновленное издание
Дэвид Борнштейн.

Как изменить мир: социальные предприниматели и сила новых идей, обновленная версия Дэвида Борнштейна.Опубликовано в более чем двадцати странах, Как изменить мир стала Библией для социального предпринимательства. В нем представлены мужчины и женщины со всего мира, которые нашли инновационные решения для решения самых разнообразных социальных и экономических проблем. Независимо от того, работают ли они для доставки солнечной энергии бразильским жителям или улучшают доступ в колледж в Соединенных Штатах, социальные предприниматели предлагают новаторские решения, которые меняют жизнь.

Открыть Для получения дополнительной информации и / или заказать эту книгу на Amazon.