Иновативни соларни технологии

Перовскитни фотоволтаични клетки, тандемни соларни модули и термофотоволтаични системи бяха във фокуса на вниманието на изследователите в света на соларните технологии в последните години. В търсене на повече ефективност, дълготрайност и разнообразни приложения, учени от държавни институти и частни бизнеси създадоха иновации и в областта на лещите за фотоволтаика, прозрачността на материалите. На хоризонта изгряват и редица технологии за рециклиране, тъй като масовото приложение на соларни системи скоро ще ни принуди да се справяме с нарастващ обем отпадъчни соларни материали. Квантовите технологии също дебютираха в света на фотоволтаиката и очакваме нови вълнуващи решения, свързани с тях.

Текст: списание Енергия

В продължение на последните години технологията на фотоволтаичните систе ми се развива бързо и постоянно се постига значителен напредък. Изследванията и иновациите се насочват към увеличаване на ефективността на фотоволтаичните клетки. Новите материали, дизайни и процеси на производство помагат да се постигне по-висока конверсия на слънчевата енергия в електричество. С намаляването на разходите за производство и инсталиране на фотоволтаични системи, технологията става все по-достъпна за потребителите.

Процесите на мащабно производство и оптимизация на материалите и процедурите допринасят за постигането на икономическа конкурентоспособност. Фотоволтаичните системи се интегрират все повече в различни сгради и инфраструктурни обекти. Това е резултат от различни иновации при фотоволтаичните панели и системи, които позволяват те да бъдат вграждани в различни структурни елементи, като например прозорци, покриви и фасади. В същото време се развиват нови технологии за съхранение на енергия, за да се постигне по-голяма независимост.

Перовскити

Перовскитните слънчеви технологии преживяват бурно развитие. Те носят обещанието за висока ефективност, гъвкавост и ниска цена. Тази комбинация ги прави особено привлекателни и обект на постоянни нови разработки. Перовскитът е вид калциев титанат с кристална структура, при която са налице общи ъглови връзки в кристална решетка. Перовскитите могат да бъдат органични или неорганични, което дава възможност за откриване или създаване на нови конфигурации с различни свойства.

Соларните клетки от перовскити са леки, гъвкави и евтини. Това ги прави лесни за производство, същевременно по-евтини от съществуващите алтернативи. Най-голямото им предимство е гъвкавостта им. Благодарение на нея те не страдат от ограниченията на традиционните твърди, правоъгълни фотоволтаични панели. Оттам идва и огромният интерес към приложенията им. Няколко важни постижения се случиха през последните месеци в областта на перовскитните соларни клетки.

През първата половина на 2022 година учени от Принстън разработиха перовскитна соларна клетка с 30 години живот в реални (не лабораторни) условия. Това е съществено постижение, тъй като една от традиционните слабости на перовскитите е, че не са много стабилни и са склонни да се разграждат под влиянието на слънчевия пек и влагата в околната среда. Решаването на този проблем е фокусната точка на множество нови разработки в последните години. Учените от Принстън са решили задачата със стабилността, добавяйки ултра-тънък покриващ пласт между перовскитния слой, абсорбиращ светлина, и слоя, носещ заряда.

Дебелината е само няколко атома. Покриващият слой е направен от въглероден дисулфид, олово, йод и хлор. С това разработената клетка стана първата, преминала комерсиалния „праг“ от 20 години живот. По същото време американоканадска група изследователи разработи инвертирана перовскитна соларна клетка, която постига 23,9% ефективност. Забележително при нея е и това, че запазва ефективността си и не показва признаци на деградация след 1500 часа работа. В началото на 2023 година постижението бе подобрено и вече може да се каже, че инвертираните перовскитни клетки са способни на над 24% ефективност.

Тандемни клетки

Тандемните соларни клетки, както подсказва името им, се състоят от две различни технологии за преобразуване на слънчевата енергия в ток. Най-често в тандемите участва перовскитът, макар и не винаги. През 2022г. учени, ръководени от Саудитския университет за наука и технологии „Крал Абдула“ (KAUST), постигнаха ефективност на преобразуване от 28,1% с тандемна слънчева клетка на база перовскит-силиций, която се състои от текстурирани силициеви пластини. Текстурирането на силициевите пластини е важен процес за намаляване на загубите от отразяване на светлината, обясниха от университета.

Процесът включва „гравиране“ на кристалния силиций. Така се формира повърхност, покрита с равномерно разпределени пирамиди. Резултатът е намаляване на отразяването на входящата светлина. Следователно се подобрява улавянето й и се увеличава текущата мощност и плътността на клетката. Австралийски учени пък достигнаха 30,3% ефективност с тандемна перовскитно-силициева фотоволтаична клетка. Изследователите не разкриха много подробности за технологията на направата на клетката, но обясниха, че с такива тандемни слънчеви клетки перовскитната горна клетка може ефективно да абсорбира синята светлина и да предава червената светлина към силициевата долна клетка, произвеждайки значително повече енергия от слънчевата светлина, отколкото всяко устройство поотделно.

Прескачането на границата от 30% е съществено, защото се смята за „праг“ на ефективността, който ще отприщи комерсиализацията на тандемната технология. Настоящите прогнози са, че тандемната перовскитно-силициева технология може да влезе в масово производство до 2026г. В началото на 2023 година изследователи от университета „Читкара“ в Индия проектираха тандемна слънчева клетка, базирана на горен слой, изработен от перовскит, и долен пласт, изработен от медно-индиево-галиев селенид. Тя постигна 29,7% ефективност. В горната клетка перовскитният слой действа като абсорбатор за високоенергийните фотони. Долната клетка използва CIGS слоя, за да абсорбира нискоенергийните фотони, обясниха учените.

Двете нива са свързани чрез междинен слой от индиево-калаен оксид, за да осигурят съвпадение на тока за тандемната конфигурация. Друго постижение на учените от KAUST е създаването на тандемна перовскитно-силициева клетка, която запазва 80% от ефективността си след година работа. За целта учените са капсулирали устройството между два слоя термопластичен полиуретан (TPU) и стъкло преди ламиниране на модула. „Не говорим за 500 часа или 1000 часа в контролирана лабораторна среда, а по-скоро за реално измерване на открито в продължение на няколко години“, казаха изследователите.

Термофотоволтаични клетки

Термофотоволтаиците (TPV) са технология за генериране на електроенергия, която използва топлинно излъчване за генериране на електричество чрез фотоволтаични клетки. TPV системата обикновено се състои от топлинен излъчвател, който може да достигне високи температури, близо до или над 1000 градуса, и фотоволтаична диодна клетка, която може да абсорбира фотоните, идващи от източника на топлина. Технологията привлича интереса на учените от десетилетия, тъй като е в състояние да улавя слънчевата светлина в целия слънчев спектър и има техническия потенциал да надделее ограниченията на традиционните фотоволтаици.

Досега обаче ефективността винаги е била твърде ниска, за да направи технологията търговски жизнеспособна. Именно затова бе новина, че новостартираща американска компания започна да произвежда термофотоволтаични клетки с 40% ефективност. „Клетките са базирани на III-V полупроводници, които имат по-висока производителност от конвенционалните слънчеви клетки и произвеждат 100 пъти повече енергия от устройства с подобен размер“, казаха от разработчика на системата. „Клетките могат да преобразуват всеки източник на топлина с висока температура в електричество и най-важното им приложение е за съхранение на енергия“.

Сега, когато прагът от 40% е надскочен, технологията изглежда по-жизнеспособна. Освен това се твърди, че системата може лесно да бъде произвеждана в мащаб. Група изследователи от Масачузетския технологичен институт (MIT) и Националната лаборатория за възобновяема енергия на Министерството на енергетиката на САЩ (NREL) пък разкриха термофотоволтаична (TPV) клетка, която постигна ефективност от 41,1%, работейки при температура на излъчвателя от 2400°C. Тези разработки са индикатор, че в идните години ще видим новия вид фотолволтаични системи да променят правилата на играта на PV пазара.

Рециклиране на соларни системи

В Германия, страната - емблема на соларната енергетика, голяма част от най-рано инсталираните фотоволтаични панели вече са към края на живота си. Поради тази причина в последните години там се говори много за съдбата на този нов вид електрически отпадък. Примерът на Германия вълнува не само страната, но и ВЕИ индустрията по целия свят. Това е причината, поради която много от съвременните разработки в сферата на фотоволтаиката са съсредоточени върху рециклирането на PV панелите. Повечето проекти търсят начин за възстановяване на вложените суровини – силиций, стъкло и др.

Силицият е елемент, който е наличен в изобилие на Земята. Той не е ограничен ресурс, но неговото добиване все пак изисква известна минно-добивна дейност. За да се ограничи вредното й влияние, сега се разработват процеси на регенериране на силиция от соларните модули. Така през 2022 в Италия беше разработен процес за рециклиране на фотоволтаици, който преработва около 85% от целия фотоволтаичен панел. Това включва алуминиевите профили, медните кабели, стъклото. Амбицията на разработчиците е да постигнат 100% рециклиране на панелите. Голяма част от технологията разчита на автоматика.

Според разработчиците, енергийното потребление е около 1kW за панел при преработката. В Тайван в това време създадоха рециклируем соларен модул, който би трябвало да се преработва с минимум отпадък и с максимална лекота. Това означава 96% от материалите да бъдат използвани повторно. От преработените клетки могат да се направят нови. За целта е използвана специална многопластова структура за капсулирането на панелите. Слоеве от термопластичен еластомер служат като буфер при разглобяването, предпазвайки ценните материали за по-нататъшна употреба.

Процесът е нискотемпературен и позволява лесно извличане и на среброто от соларните панели. Заедно с това станахме свидетели на международни партньорства, в които утвърдени доставчици започнаха рециклиране на фотоволтаици в екип с фирми за рециклиране. Най-новото постижение в областта е индустриален процес за мобилно рециклиране на соларни панели. Идеята е цялостното оборудване за преработка да се „натъпче“ в един транспортен контейнер и да посещава клиенти по места.

Това мобилно рециклиране като услуга следва да пътува по обекти след предварителна заявка, заедно със съответния обслужващ персонал. Обхванати са всички популярни видове кристални соларни модули. Те биват разделени на основните си компоненти при ниско потребление на енергия. Възстановените материали са с високо качество благодарение на специфичен процес на разделяне и по този начин методът полага основите на истинска „икономика на рециклирането“ във фотоволтаиката.

Лещи за повече ефективност

Една от посоките на разработване на иновативни решения за подобряване на ефективността на фотоволтаичните панели е добавянето на лещи, които да концентрират слънчевата светлина по начин, подпомагащ усвояването на енергията. В един от проектите от последната година бяха създадени шестоъгълни лещи, вградени в предпазното стъкло, покриващо соларните панели. Шестоъгълниците концентрират светлината върху клетките за улавянето на повече енергия. Оценката е, че технологията е с 30% ефективност, което означава 40% повече добив от всеки соларен панел.

Методът е приложим и за полупрозрачни соларни клетки за оранжерии и други сградни приложения. Инженери от Станфорд пък разработиха леща с форма на пирамида, която може да фокусира слънчевата светлина от всякакъв ъгъл върху PV клетката. Идеята тръгва от факта, че слънчевите клетки работят най-добре на пряка слънчева светлина. Следователно много от тях работят максимално производително само по няколко часа на денонощие. Чрез допълнителните пирамиди светлината се пречупва, независимо от каква посока идва, за да пада под най-подходящ ъгъл върху фотоволтаичната повърхност.

По същество технологията е пасивна. Слоят от пирамидални лещи образува слой, който де факто замества защитната горна повърхност на слънчевата клетка. Анализът показва, че така панелът успява да улавя повече от 90 процента от светлината, която достига повърхността, фокусирайки я за три пъти повече яркост в момента, в който достига слънчевата клетка. Екипът казва, че тази система може да подобри ефективността на фотоволтаиците, като им позволи да събират непряка слънчева светлина, както и да увеличи тяхната мощност при не толкова идеално време и условия. Най-интересното е, че пирамидите могат дори да бъдат отпечатвани на 3D принтер.

Прозрачни клетки

Няколко нови постижения се появиха и в сферата на прозрачните соларни клетки. Те могат да превърнат прозорците в генератори на енергия, особено върху оранжерии и други съоръжения, където се търси естествена осветеност. Австралийски изследователи създадоха перовскитни соларни клетки от ново поколение с ефективност на преобразуване от 15,5%, за да повишат стабилността на „слънчевите прозорци“, като същевременно позволяват преминаването на повече естествена светлина.

Изследователите от университета „Монаш“ във Виктория и Организацията за научни и индустриални изследвания на Британската общност стъпиха на по-раншна иновация, която позволяваше преминаването на 10% от видимата светлина. В новата си конфигурация панелът успява да улавя почти двойно повече светлина за преобразуване в електричество. Учени от Мичиган проектираха прозрачна органична соларна клетка (TOPV) за соларни прозорци за сгради.

Учените предложила два различни материали за два вида соларно стъкло. Едното се базира на фталцианид, което вид оцветител, често използван в автомобилни бои, мастила за принтери, хартия. Другият е разработен на база хептаметин - съставка, чувствителна към тази част от светлинния спектър, която е близка до инфрачервената зона. Според изследователите, материалите предлагат висока степен на пренос на видимата светлина – повече от традиционните полупрозрачни клетки за интегриране в сгради.

Ефективността на преобразуване е около 10%. Това не е много в сравнение със съществуващите силициеви панели, но е добър добив за прозрачно стъкло. Очакваната продължителност на живота е около 20 години – добър показател за фотоволтаични прозорци и оранжерийни покриви. Същевременно учени от UCLA разработиха органична соларна клетка, която може да осигурява електричество, монтирана върху оранжерии, като поема ултаравиолетовото лъчение и по този начин предпазва растенията от изгаряне.

Устройството запазва 84% от първоначалния си капацитет след 1000 часа греене, като ефективността варира от 11,6% до 13,5%. След изпитания учените са установили, че в оранжерия, покрита с този вид клетки, растат по-добре пшеница, боб мунг, броколи. Принос за това има вграден слой от Л-глутатион, който блокира ултравиолетовите лъчи, а също и инфрачервените, които пък водят до прегряване.

Квантови клетки

Колкото и невероятно да звучи, квантовите технологии имат място не само в изчисленията. Изследователи от Националната лаборатория за възобновяема енергия в САЩ (NREL) вградиха квантова система в соларни клетки, което доведе до световен рекорд за ефективност. Достигайки почти 39,5% преобразуване, новото устройство може да се похвали с най-високата ефективност, регистрирана за слънчева клетка в реални условия. Новата слънчева клетка се основава на архитектура, известна като „клетка с обърнати метаморфни многопреходи“ (IMM) и съдържа три „нива“ – компонентите, които произвеждат електрически ток от светлината. Всяко от тези нива е направено от различен материал (галиев индиев фосфид отгоре, галиев арсенид в средата и галиев индиев арсенид отдолу).

Тези три материала са „специализирани“ в улавянето на различни дължини на вълната на светлината. Комбинацията позволява на слънчевата клетка да събира повече енергия от целия светлинен спектър. Квантовият елемент тук касае средния слой, където са формирани „квантови кладенци“. По същество, чрез вмъкване на проводящ слой между двата други материала електроните биват ограничени до две измерения, което позволява на материала да улавя повече светлина. Средният слой на слънчевата клетка съдържа до 300 квантови „ямки“, повишавайки общата ефективност. Пробивът е важен за технологията на слънчевите клетки, но екипът казва, че производството на този тип клетки все още е доста скъпо. Ще е необходима допълнителна работа за намаляване на разходите за производството им в мащаб.

На квантови технологии разчита и разработка на Германския аерокосмически център – полупрозрачна соларна клетка, базирана на ултратънки хидрогенирани аморфни множествени квантови кладенци от силиций и германий (Si/Ge). Тази клетка може да има множество приложения като например да се поставя по прозорците на фасадите на сгради и прозорци, таваните на автомобили, оранжерии, агроволтаични системи. По-рано немските учени тестваха единични квантови кладенци (SQW), докато сега изпробваха множествена технология – и се оказва, че това позволява по-добри резултати и от гледна точка на фотоволтаична производителност, и откъм прозрачност на клетката.