Актуални технологични тенденции в PV индустрията – част 1

ВЕИ енергетикaСп. Енерджи ревю - брой 2, 2020 • 23.03.2020

Повишената загриженост за климатичните промени, здравните ефекти от замърсяването на въздуха, енергийната сигурност и достъпност, както и вариращите цени на петрола обуславят необходимостта от производство и употреба на алтернативни, нисковъглеродни технологии като възобновяеми енергийни източници. Соларната технология е от водещите през последните няколко десетилетия.

В края на 2018 г. общият инсталиран фотоволтаичен капацитет възлиза на 480 GW в световен мащаб (като се изключват концентриращите соларни централи), което означава, че това е вторият по големина източник на възобновяема електроенергия след ветрогенераторните инсталации. През 2018 г. технологията е водеща и по капацитет на новоинсталираните мощности, които са два пъти колкото вятърните паркове и повече от инсталациите на изкопаеми горива и ядрените централи взети заедно, достигайки 94 GW.

Еволюцията на соларната индустрия досега е забележителна, подчертават експерти от Международната агенция по възобновяема енергия (IRENA), с няколко много важни момента през последните години, свързани с инсталациите, намаляването на разходите, технологичния напредък, както и основаването на ключови за сектора асоциации.

 

Пазарни тенденции

Предвид наличието на ресурс, съществения пазарен потенциал и разходната конкурентоспособност се очаква PV технологията да продължи да е водеща в общия ръст на ВЕИ в няколко региона през следващото десетилетие. Според анализ на IRENA броят на новите фотоволтаични инсталации може да се увеличи шесткратно през следващите десет години, достигайки общ капацитет от 2840 GW до 2030 г. и 8519 GW до 2050 г. Това означава, че соларният капацитет през 2050 г. ще бъде 18 пъти по-голям от този през 2018 г. Прогнозите са, че в световен мащаб 60% от капацитета през 2050 г. ще е от големи инсталации за комунални цели, а оставащите 40% – от покривни фотоволтаични системи. Въпреки че мащабните инсталации се очаква да доминират и през 2050 г., експертите предвиждат по-бърз ръст за разпределените PV системи, воден от политики и насърчаващи мерки, както и от ангажираността на потребителите по отношение на прехода към използване на чиста енергия.

Глобалният соларен пазар през 2018 г. е доминиран от Азия, отговаряща за над половината от новия фотоволтаичен капацитет в света. Инсталираният соларен капацитет на региона достига 280 GW в края на 2018 г. Европейският съюз е вторият по големина PV пазар, основно воден от Германия с общ инсталиран капацитет от 45 GW в края на 2018 г. На трета позиция е Северна Америка с 55 GW, като 90% от инсталациите се намират в САЩ.

Прогнозите показват, че Азия ще продължи да води в инсталирането на PV мощности с 65% от общия капацитет до 2030 г. Значителен ръст се очаква в Китай, където инсталираният капацитет ще достигне 1412 GW до 2030 г. Северна Америка ще заеме второто място с 437 GW до 2030 г., като 90% от тези инсталации отново ще бъдат в САЩ. Европа ще е на трето място до 2030 г., с инсталиран PV капацитет от 291 GW. Подобна ситуация се очаква и до 2050 г., когато Азия все още ще доминира с почти половината от глобалния инсталиран капацитет (4837 GW). В рамките на Азия на първо място отново ще е Китай с комбиниран годишен темп на растеж (CAGR) от 9%, водещ до прогнозиран капацитет от 2803 GW до 2050 г. Северна Америка ще запази втората си позиция със соларен капацитет от 1728 GW, като регионът ще е доминиран от САЩ. Европа ще продължи да е на трето място през 2050 г. с общ инсталиран капацитет от 891 GW. Над 22% от тези инсталации ще са в Германия, където фотоволтаичните мощности ще достигнат 200 GW. Въпреки че инсталираният капацитет може да остане най-голям в Азия, Северна Америка и Европа, има възможност пазарният ръст да се измести към други региони, като се очаква силно развитие в Южна Америка и Африка.

Бъдещият растеж на соларната индустрия до голяма степен зависи от балансирането на системите, за което се изразходват най-много разходи, като възможностите за редуциране на тези разходи са много големи. Начините за постигане на това са използване на по-евтини (и по-малко) материали за клетките, намаляване на разходите за производство на клетки и увеличаване на ефективността на клетките.

 

Материали

Регистрира се непрекъснат напредък в научноизследователската и развойната дейност както за съществуващите, така и за новите технологии с цел постигане на допълнително понижаване на разходите и подобряване на експлоатационните характеристики.

Панелите от кристален силиций (c-Si) са от първото поколение фотоволтаични панели и те държат 95-процентен дял от световното производство. Благодарение на основния използван материал, силиций, c-Si панелите са по-достъпни и високоефективни в сравнение с решения от други материали. През последните няколко десетилетия соларните панели се подобряват съществено по отношение на ефективност и изходна мощност. Средната ефективност на модулите през 2006 г. е 13,2% за поликристални и 14,7% за монокристални PV панели. Оттогава този параметър се повишава постоянно, достигайки съответно 17% и 18%. Очаква се тази положителна тенденция да се запази до 2030 г. Силната позиция на c-Si на пазара затруднява конкурирането за другите технологии.

Въпреки високото ниво на ефективност на тази PV технология от първо поколение, има много място за подобрения, включително: понижаване на цената на c-Si модулите за по-висок марж на печалба; намаляване на металните включения и други дефекти; ограничаване на въздействията върху околната среда чрез редуциране на отпадъците; получаване на по-тънки пластини чрез оптимизирани свойства на материалите.

PERC (Passivated Emitter and Rear Cell) технологията използва усъвършенствана архитектура на силициевата клетка. Структурата на PERC клетките не е много по-различна от тази на типичната монoкристална PV клетка. Ключовото подобрение тук е интегрирането на задна повърхност с пасивиран слой, който увеличава ефективността на клетката. Пасивираният слой постига това по три начина: намалява рекомбинацията на електрони; повишава абсорбцията на светлина; дава възможност за по-висока вътрешна отразяваща способност. Увеличението на ефективността вследствие на внедряване на PERC архитектура за монокристални клетки е около 0,8 до 1%, докато ръстът за поликристалните клетки е малко по-нисък – от 0,4 до 0,8%. PERC започва да навлиза на пазара наскоро, но бързо се превръща в новия индустриален стандарт за монокристални клетки. Причините за този забележителен прогрес са няколко – преход на пазара към монокристални клетки, оптимизиране на надеждността и капацитета на производственото оборудване, вследствие на което се подобрява качеството на пасивация, както и засилената научноизследователска и развойна дейност, предизвикана от големия брой производители, активни в PERC производството.

Тандемните соларни клетки представляват съвкупност от индивидуални клетки, разположени една над друга, като всяка една преобразува светлина със специфична дължина на вълната, оставяйки остатъчната светлина да бъде погълната и преобразувана до електроенергия от долната клетка. Новите PV технологии включват няколко вида тандемни клетки, които могат да бъдат групирани основно в зависимост от използваните материали (органични, неорганични, хибридни), както и от вида на използваната връзка. Подходът на тандемните клетки е приложен за създаването на най-ефективните в света соларни клетки, които могат да преобразуват 46% от слънчевата светлина в електричество. За съжаление, за тези устройства се използват много скъпи материали и производствени процеси, поради което те все още не са навлезли на пазара.

 

Тънкослойни технологии

Тънкослойните технологии често се смятат за второто поколение фотоволтаични панели. Полупроводниковите материали, използвани за производството на тънкослойни клетки, са с дебелина от едва няколко микрона. Тези технологии включват две основни разновидности – силиций-базирани (аморфен [a-Si] и микроморфен силиций [a-Si/c-Si]) и не силиций-базирани клетки (перовскити, кадмиев телурид и медно-иридиев-галиев диселенид [CIGS]). Тези технологии може да бъдат по-евтини за производство и като такива се внедряват в търговски мащаб, но все още нивата им на ефективност са по-ниски.

Понастоящем повечето соларни клетки са изработени от силиций, но една от областите, върху която експертите се съсредоточават, е разработването на нови материали. Един от най-обещаващите е перовскитът – вид минерал с много добра способност за поглъщане на светлина. Първите перовскитни устройства през 2009 г. преобразуват само 3,8% от енергията на слънчевата светлина. Тъй като кристалите се произвеждат много лесно в лабораторни условия обаче, експлоатационните им характеристики бързо се подобряват и до 2018 г. ефективността им достига до 24,2%, което е близо до рекорда на лабораторни силициеви клетки – 26,7%.

Пред перовскитите все още има няколко значителни предизвикателства, които възпрепятстват достигането на пазарна зрялост. Едно от основните е издръжливостта.

Понеже кристалите се разтварят лесно, те не могат да се използват във влажни условия, което налага защитата от влага чрез капсулиране, например посредством слой от алуминиев оксид и др. Друго предизвикателство за учените е това, че въпреки че успяват да постигнат висока ефективност с малки перовскити, резултатите не могат да бъдат повторени с по-големи по площ клетки. Ако тези бариери могат да се преодолеят, перовскитните клетки имат потенциала да изменят динамиката и икономиката на соларната енергетика, тъй като те са по-евтини за производство и могат да бъдат изработени при относително ниски температури за разлика от силициевите клетки.

CIGS клетките също са с относително висока ефективност (22,9%) в сравнение с разпространените клетки от кристален силиций. Производството на CIGS клетки обаче може да бъде трудно поради рядкостта на индия, както и сложната стехиометрия и множеството фази на изработка, което ограничава масовото производство в краткосрочен план.

Кадмиево-телуридните клетки понастоящем са с ефективност от 21%, подобно на тази на CIGS, и се характеризират с добра абсорбция и ниски енергийни загуби. CdTe соларните клетки се изработват посредством нискотемпературни процеси, което прави производството им много гъвкаво и достъпно. Към момента CdTe е водеща по пазарен дял сред всички тънкослойни технологии.

Статията продължава в следващ брой


Top