Солнечная энергия на сегодняшний день является самой быстро растущей энергетической технологией. Десять лет назад в мире было всего 20 ГВт установленной мощности; сегодня это более 600 ГВт. По мере развития солнечной энергетики появляются и новые наиболее эффективные технологии солнечных элементов.
В среднем коммерческая солнечная панель преобразует 17-20% падающей на нее световой энергии в электричество, что значительно больше по сравнению с 12% десять лет назад. Но чем больше эффективность солнечных технологий, тем больше их роль в смягчении последствий изменения климата.
В последние годы несколько компаний, например, Oxford PV, ICS и Insolight, добились значительного прогресса в разработке новых технологий, повышающих эффективность использования солнечной энергии, что свидетельствует о потенциальном отказе от лидирующих в настоящее время на рынке кремниевых панелей из тонких пластин.
Достижения.
Большинство солнечных элементов сегодня сделано из тонких пластинок кристаллов кремния, большая часть которых производится в Китае или на Тайване. Эта технология была первоначально разработана в 1950-х годах и со временем резко упала в цене.
Однако теоретическая эффективность этой технологии составляет 30%, поскольку она изготовлена только из одного материала, известного как предел Шокли — Квайссера (Shockley-Queisser). Исследователи продемонстрировали, что комбинация различных материалов позволяет достичь эффективности солнечных установок до 47%.
По словам доктора Кристиана Джардина, старшего преподавателя по энергетике Института экологических изменений Оксфордского университета и технического директора Joju Solar, панели из нескольких материалов теоретически могут иметь эффективность 95% за счет внедрения таких технологий, как квантовые точки и полупроводниковые частицы, работающие на наноразмерном уровне.
Максимальный предел термодинамической эффективности, который можно достигнуть с помощью различных методов, в основном включает в себя наложение различных типов солнечных панелей друг на друга.
Перовскитовые слои.
Достижение большей эффективности означает, что можно вырабатывать больше электроэнергии при минимальном расходе материалов, поэтому солнечные панели станут более устойчивыми.
Один из ведущих новаторов в области солнечных модулей, получивший финансирование в размере 140 млн. долларов от таких Equinor и Legal & General Capital, - британская компания Oxford PV. Компания заявляет, что разработала самые эффективные в мире солнечные панели, и планирует запустить их производство к концу года. Панели покрыты тонким слоем кристаллического материала под названием перовскит и имеют теоретический предел эффективности 43%, поскольку этот кристалл может поглощать больше частей солнечного спектра, чем традиционный кремний. В 2018 году фотоэлектрические панели Oxford PV продемонстрировали эффективность 27,3%.
Д-р Крис Кейс (Chris Case), технический директор Oxford PV, сказал, что компания продолжает продвигать технологию, которая «выходит за рамки 30% эффективности».
«Солнечные элементы, которые мы разрабатываем, не только эффективны, но и стабильны. Подобные устройства нашего научно-исследовательского центра прошли 2000 часов испытаний в условиях повышенной влажности и высокой температуры в соответствии с протоколом IEC 61215», - добавил он.
Другая польская стартап-компания Saule Technologies, также работает над созданием солнечных элементов на основе перовскита. Недавно компания завершила пробный проект с использованием ультратонких солнечных элементов в варшавском офисе строительной и девелоперской фирмы Skansa.
Преимущество перовскита в том, что это относительно дешевый материал. Тем не менее, несмотря на то, что перовскит становится ведущим претендентом на коммерчески жизнеспособные солнечные элементы следующего поколения с более высокой эффективностью, его долговечность еще не доказана.
Возможно, если нанести слой перовскита поверх обычного элемента, это увеличит эффективность солнечного элемента на 10 лет, но испытания по этому вопросу еще не проводились.
Другие технологии.
Oxford PV и Saule Technologies - не единственные конкуренты «в гонке за эффективностью использования солнечной энергии». Финская технологическая компания ICS разработала аналогичное пленочное покрытие, которая увеличивает количество света, попадающего на солнечные элементы. По заявлению компании, это может повысить производительность солнечных батарей на 5-10%.
«Мы нашли способ улавливать и перенаправлять световые лучи», - объясняет Кари Ринко, технический директор ICS.
Эта технология, получившая название пленки Solar Energy Optic (SEO), основана на оптике со встроенным резонатором и практически не подвержена внешним воздействиям и загрязнениям. Ультратонкая пленка производится с помощью экономичного процесса «рулон-в-рулон», который, по словам компании, делает ее масштабируемой и готовой к промышленному внедрению в глобальном масштабе.
«SEO-пленка так же эффективна, как если бы оптика была установлена на поверхности солнечного модуля», - поясняет Кари Ринко.
Это эффективнее, чем любая ранее представленная и испытанная методика светозахвата.
SEO-решение было протестировано независимой компанией Fraunhofer ISE, которая подтвердила повышение эффективности панелей.
Швейцарский стартап Insolight также спроектировал эффективные солнечные панели другим способом. Этот способ концентрирует свет в 200 раз за счет встраивания сетки из шестиугольных линз в защитное стекло солнечной панели. По заявлению компании, технология обеспечивает 30%-ную эффективность преобразования солнечной энергии в электрическую (300 Вт / м2), в то время как стандартные модули достигают в среднем 18%. По оценке Мадридского политехнического университета, эффективность технологии составила 29%.
Повышение эффективности солнечных элементов имеет очевидные преимущества, но наиболее важным является уменьшение площади и материалов, необходимых для получения большего количества энергии.
Прогнозы.
Потенциально каждая из этих технологий может в ближайшее время составить конкуренцию доминирующим кремниевым элементам. В 2020 году «рынок сдерживают сбои в цепочке поставок из-за Covid-19 и, например, прекращение действия «зеленых» тарифов, введенных в Великобритании в апреле прошлого года.
IHS Markit прогнозирует введение 105 ГВт новых глобальных солнечных установок в 2020 году, что на 16% меньше, чем в 2019 году. Рост солнечных фотоэлектрических систем возобновится в 2021 году.
«Солнечная энергия сейчас достаточно дешевая, поэтому она не требует политической поддержки, и рынок работает лучше без вмешательства государства», - говорит Жардин.
Высокоэффективные модули уже доказали свою эффективность, так как многих людей сегодня беспокоят проблемы изменения климата, а именно солнечная энергия может обеспечить снижение выбросов углерода.