Технологични тенденции при фотоволтаичните панели

• Соларните технологии са сред най-бързо развиващите се сегменти в сферата на възобновяемите енергийни източници
  
  
• Редица научноизследователски пробиви в това направление през последното десетилетие постигат ефективност на соларните панели до цели 50%
  
  
• Перовскитните фотоволтаични клетки демонстрират висока ефективност, а приложенията им експоненциално нарастват вследствие на комбинацията от сравнително ниски производствени разходи и тънкослойна архитектура

Соларните технологии са сред най-бързо развиващите се сегменти в сферата на възобновяемите енергийни източници. От първите фотоволтаични панели с комерсиално приложение, създадени през 50-те години на миналия век, до днес базираните на силициеви клетки решения в областта са изминали дълъг път и масово преобразуват средно до около една пета от слънчевата светлина в електричество. Редица научноизследователски пробиви в това направление през последното десетилетие постигат ефективност на соларните панели до цели 50%, а успешната им пазарна реализация е въпрос на време и подходяща технологична и бюджетна оптимизация.

Иновации при материалите

Фотоволтаичният сектор е с трайно нарастващ дял в световния енергиен микс вследствие на множество глобални и национални инициативи за стимулиране на устойчивите решения в енергетиката и използването на все повече възобновяеми източници. Нишите в пазарното търсене непрекъснато се запълват от нови PV технологии, а иновационната дейност в соларния сегмент е в своеобразен пик през последните години. Водеща цел на разработчиците е максимално съотношение между ефективност на преобразуване и производствени разходи. Три от основните групи системи, в които се влагат най-много инвестиции за изследователски проекти, са конвенционалните пластини от моно- и поликристален силиций, по-рентабилните тънкослойни модули със слоеве от аморфен силиций и перовскитните соларни клетки от последно поколение, които се отличават с висок потенциал да трансформират съвременния пазар на фотоволтаични панели.

Кристалният силиций е най-използваният полупроводников материал в глобалния PV сектор, макар с него традиционно да се достига значително по-ниска от теоретично постижимата ефективност за пазарни приложения (30%). Ето защо все повече усилия и средства се насочват към останалите категории високоефективни материали с по-ниски разноски за производство на соларни клетки.

Втората генерация технологии – тънкослойните модули, са сред най-обещаващите иновации в сегмента благодарение на компактния си и олекотен дизайн. Техните фотопоглъщащи слоеве са до 350 по-тънки от конвенционалните, а сред допълнителните им предимства са гъвкавостта и лесната инсталация. За изработката им се използват четири типа материали – кадмиев телурид (CdTe), аморфен силиций, галиев арсенид (GaAs) и меден индиев галиев селенид (CIGS). CIGS соларните модули се доказват в практиката като най-ефективни и икономични за потребителски и индустриални приложения с коефициент на преобразуване до 21%.
Перовскитните фотоволтаични клетки също демонстрират забележителна ефективност, а приложенията им експоненциално нарастват вследствие на комбинацията от сравнително ниска цена, тънкослойна архитектура и регулируемо поглъщане.

Иновации в сегмента на перовскитните клетки

Перовскитите са семейство минерали, към които се числят различни комбинации от елементи със специфична материална структура и уникални електрически свойства. Тези от тях, които намират приложение във фотоволтаиката, притежават и набор от електронни и оптични характеристики, които увеличават потенциалните ползи от тях в сектора. Перовскитните модули могат да осигурят висока плътност на мощността, подобно на силиция, но при по-малко тегло, с по-ниски производствени разходи и с опростен процес на изработка. В допълнение, те могат да бъдат комбинирани със силициеви пластини в тандемни архитектури, които значително надминават по ефективност конвенционалните соларни клетки. Сред предимствата им е и липсата на скъпи, редки или пък токсични материали, като кадмий например, които да пораждат съображения във връзка с безопасността им при употреба. Ето защо все повече производители на фотоволтаични панели насочват вниманието си към тази група материали, като вече са достъпни тестови продуктови линии, които се очаква скоро да получат и по-масова комерсиална реализация.

В сравнение с друга потенциално революционна иновация в соларния сегмент – нанотехнологиите и органичните PV модули, перовскитите демонстрират по-висок коефициент на преобразуване и значително по-дълъг експлоатационен цикъл. Въпреки това маркетинговите анализатори не прогнозират светкавична подмяна на водещата пазарна технология. Основно предизвикателство при технологичната оптимизация на персовскитните минерали в качеството им на ефикасни инженерни материали остава разработката на адекватни техники за капсулиране и защита на модулите, които да предпазват фоточувствителните полупроводникови слоеве от разграждане вследствие на продължително излагане на различни климатични влияния (нагряване, контакт с атмосферния въздух, влажност и UV лъчения). Това би означавало, че клетката ще е с гарантирано висока ефективност през целия си сервизен живот, което към момента все още не е постигнато.

Потенциалните приложения на перовскитните соларни клетки са много – от традиционни фотоволтаични масиви и покривни инсталации до вградени вертикални сградни панели с олекотена конструкция (до 90% по-лека от тази при силициевите модули). Наред с редица други сценарии, в които конвенционалните системи се оказват неприложими поради по-обемния си дизайн или други свои характеристики, интегрираните сградни PV решения, соларните фасади и гъвкавите фотоволтаични модули се явяват сериозни пазарни ниши за тънкослойните перовскитни модули с потенциал за значително бъдещо развитие.

Иновации и прогнози

Перовскитните соларни клетки могат да бъдат произвеждани чрез стандартен процес на отлагане на полупроводниковия слой, без необходимост от оскъпяващи метода условия като вакуум или високи температури. Възможностите за изработка на гъвкави модули създават условия за използването им и в други технологични сфери като електрониката например.

Освен на иновативни материали като перовскитите, съвременната фотоволтаика залага и на новаторски методи за производство на максимално количество електрическа енергия от слънчевата светлина чрез наличните технологии. Пример за такава техника е вграждането на лещи в ролята им на оптични усилватели в защитните стъкла на PV панелите, които концентрират лъчите до 200 пъти и постигат ефективност от около 30%.

Възможностите за нощно производство на електроенергия чрез соларни технологии отдавна вълнува изследователите и инженерите в областта, а един от обещаващите резултати на проучванията в това направление са PV панели, които улавят инфрачервените лъчи чрез топлоизлъчващи диоди и преобразуват топлинната енергия в електричество. Принципът им на работа е подобен на този при очилата за нощно виждане. Интересна разработка в сегмента са прототипите на термоизлъчвателни PV устройства или “обърнати” соларни панели. Те генерират електричество през нощта, използвайки излъчваната от самите фотоволтаични панели топлина чрез оптично свързана дълбока междина в конструкцията, която служи като радиатор на системата.

Сред набиращите популярност иновации в тази сфера са и плаващите соларни ферми, които са сравнително лесни за реализация и разполагат с технология за редуциране на водните изпарения чрез блокиране на слънчевата светлина и ограничаване на топлинния обмен посредством активна въздушна циркулация. Те могат да бъдат разположени в различни водоеми и да генерират големи количества енергия, включително за промишлени цели.

Един от най-интересните сегменти във фотоволтаичния сектор са интегрираните сградни PV системи, които споменахме по-горе. Те не само могат да се превърнат в практически незабележима, но и в естетически издържана част от сградната обвивка, подобряваща визуалните й характеристики. Тънкослойните модули от ново поколение позволяват производството на тънки и компактни панели за директно вграждане в покриви, навеси, фасади, капандури и др., които не изискват обемни носещи конструкции. Сред предимствата на тези технологии са възможностите за повишаване на енергийната ефективност на сградите и минимизиране на енергийното им потребление и въглеродния им отпечатък.

Внимание със сигурност заслужават и соларните прозорци, които разполагат с интегрирани слънчеви панели. На вид те не се различават от конвенционалните прозорци, но специалното им фотоволтаично остъкляване ефективно преобразува слънчевата светлина в електроенергия. Тя би могла да бъде достатъчна например за рентабилно захранване на част от електроуредите в жилището с висока възвръщаемост на инвестицията.

Една от соларните иновации, които тепърва предстои да получат своята пазарна реализация, са и т. нар. соларни “кожи” или еластични покрития за различни екстериорни повърхности. Тези гъвкави слоеве позволяват плътно прилепване към релефа, независимо дали се използват върху покриви или пък затревени дворове.

Не на последно място в този материал ще споменем и микроинверторите за отделни фотоволтаични панели с функции за индивидуално управление на генерирането на енергия посредством проследяване на пиковите нива на мощност (Maximum Power Point Tracking, MPPT). Това значително повишава цялостната производствена ефективност, но с по-ниска себестойност на устройството.