Стоимость солнечных панелей резко упала за последние несколько лет, что привело к увеличению числа солнечных установок, намного превышающих ожидания большинства аналитиков. Но поскольку большинство потенциальных областей для снижения затрат уже доведены до крайности, дальнейшее снижение затрат становится все более сложной задачей.
Теперь исследователи из Массачусетского технологического института и Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) наметили путь к дальнейшему сокращению расходов, на этот раз за счет уменьшения размеров самих кремниевых элементов.
Более тонкие кремниевые элементы исследовались и раньше, особенно около десятка лет назад, когда стоимость кремния достигла своего пика из-за нехватки поставок. Но у этого подхода были некоторые трудности: тонкие кремниевые пластины были слишком хрупкими и хрупкими, что приводило к неприемлемым уровням потерь в процессе производства, и они имели более низкую эффективность. Исследователи говорят, что теперь есть способы начать решать эти проблемы за счет использования более совершенного оборудования для обработки и некоторых последних разработок в архитектуре солнечных элементов.
Новые результаты подробно описаны в статье в журнале Energy and Environmental Science, в соавторстве с постдоком Массачусетского технологического института Чжэ Лю, профессором машиностроения Тонио Буонассиси и пятью другими сотрудниками Массачусетского технологического института и NREL.
Исследователи описывают свой подход как «техноэкономический», подчеркивая, что на данном этапе экономические соображения так же важны, как и технологические, для дальнейшего повышения доступности солнечных панелей.
В настоящее время 90 процентов солнечных панелей в мире сделаны из кристаллического кремния, и отрасль продолжает расти со скоростью около 30 процентов в год, говорят исследователи. Сегодняшние кремниевые фотоэлектрические элементы, сердце этих солнечных панелей, сделаны из кремниевых пластин толщиной 160 микрометров, но с улучшенными методами обработки исследователи предполагают, что их можно уменьшить до 100 микрометров, а в конечном итоге всего до 40 микрометров или меньше. меньше, что потребовало бы только одной четверти кремния для данного размера панели.
Это может не только снизить стоимость отдельных панелей, говорят они, но, что еще более важно, позволит быстро расширить производственные мощности солнечных панелей. Это связано с тем, что расширение может быть ограничено ограничениями скорости строительства новых заводов для производства слитков кристаллов кремния, которые затем нарезаются, как салями, для изготовления вафель. Эти заводы, которые, как правило, отделены от самих заводов по производству солнечных элементов, как правило, являются капиталоемкими и требуют много времени для строительства, что может привести к узким местам в темпах расширения производства солнечных панелей. Исследователи говорят, что уменьшение толщины пластин потенциально может облегчить эту проблему.
В исследовании рассматривались уровни эффективности четырех вариантов архитектуры солнечных элементов, включая элементы PERC (пассивированный эмиттер и задний контакт) и другие передовые высокоэффективные технологии, сравнивая их выходы при разных уровнях толщины. Команда обнаружила, что на самом деле было незначительное снижение производительности при толщине всего 40 микрометров при использовании современных усовершенствованных производственных процессов.
«Мы видим, что есть область (на графиках зависимости эффективности от толщины), где эффективность плоская, - говорит Лю, - и это область, где вы потенциально можете сэкономить немного денег». По его словам, благодаря этим достижениям в сотовой архитектуре «мы действительно начали понимать, что пришло время пересмотреть экономическую выгоду».
Перестройка огромных заводов по производству панелей для адаптации к более тонким пластинам будет трудоемким и дорогостоящим процессом, но анализ показывает, что выгоды могут значительно перевесить затраты, говорит Лю. Потребуется время, чтобы разработать необходимое оборудование и процедуры, позволяющие использовать более тонкий материал, но с существующей технологией, по его словам, «должно быть относительно просто снизить толщину до 100 микрометров», что уже обеспечит значительную экономию. Дальнейшие усовершенствования технологии, такие как более точное обнаружение микротрещин до их роста, могут способствовать дальнейшему уменьшению толщины.
В будущем толщина потенциально может быть уменьшена до 15 микрометров, говорит он. По его словам, новые технологии, которые позволяют выращивать тонкие пластины из кремниевых кристаллов напрямую, а не нарезать их из более крупного цилиндра, могут способствовать дальнейшему утончению.
Разработке тонкого кремния в последние годы уделялось мало внимания, потому что цена на кремний снизилась по сравнению с предыдущим пиком. Но из-за снижения затрат, которое уже произошло в эффективности солнечных элементов и других частях процесса производства солнечных панелей и цепочки поставок, стоимость кремния снова является фактором, который может иметь значение, говорит он.
«Эффективность может повыситься только на несколько процентов. Поэтому, если вы хотите добиться дальнейших улучшений, толщина - это то, что вам нужно», - говорит Буонассизи. Но конверсия потребует больших капитальных вложений для полномасштабного развертывания.
Цель этого исследования, по его словам, состоит в том, чтобы предоставить дорожную карту для тех, кто может планировать расширение технологий производства солнечной энергии. По его словам, сделав путь «конкретным и осязаемым», это может помочь компаниям включить его в свое планирование. «Есть путь, - говорит он. "Это непросто, но путь есть. И для первопроходцев преимущество значительное."
Что может потребоваться, говорит он, так это то, чтобы различные ключевые игроки отрасли собрались вместе и изложили конкретный набор шагов вперед и согласованные стандарты, как это сделала индустрия интегральных схем на раннем этапе, чтобы позволить бурный рост этой отрасли. «Это было бы по-настоящему преображающим», - говорит он.
Андре Аугусто, младший научный сотрудник Университета штата Аризона, который не был связан с этим исследованием, говорит, что «рафинирование кремния и производство пластин - это наиболее требовательная к капитальным затратам часть процесса производства солнечных панелей. Таким образом, в сценарии быстрого расширения поставка пластин может стать проблемой. Уменьшение толщины частично решает эту проблему, поскольку вы можете производить больше пластин на машине без значительного увеличения капиталовложений». Он добавляет, что «более тонкие пластины могут давать преимущества в производительности в определенных климатических условиях», лучше работать в более теплых условиях.
Аналитик по возобновляемым источникам энергии Грегори Уилсон из Gregory Wilson Consulting, который не был связан с этой работой, говорит: «Влияние сокращения количества кремния, используемого в основных элементах, будет очень значительным, как указывается в документе. очевидный выигрыш заключается в общей сумме капитала, необходимого для масштабирования фотоэлектрической отрасли до масштаба в несколько тераватт, необходимого для решения проблемы изменения климата. Еще одно преимущество заключается в количестве энергии, необходимой для производства кремниевых фотоэлектрических панелей. Это связано с тем, что процессы производства поликремния и выращивания слитков, необходимые для производства высокоэффективных элементов, очень энергоемки».
Уилсон добавляет: «Крупным производителям фотоэлементов и модулей необходимо получить известие от заслуживающих доверия групп, таких как профессор Буонассизи из Массачусетского технологического института, поскольку они сделают этот сдвиг, когда ясно увидят экономические выгоды».