В конце одного из самых жарких летних сезонов в истории, когда бушуют споры о том, как снабжать дома энергией, возобновляемая солнечная энергия по-прежнему представляет собой вариант, который не приводит к значительному увеличению выбросов парниковых газов в окружающую среду в обмен на освещение и охлаждение. наши дома. И это только что получило еще одно преимущество благодаря материаловедению.
В новом исследовании, опубликованном в журнале Energies, исследователи нашли способ снизить себестоимость солнечных батарей более чем на 10 процентов.
"Улучшение затрат на единицу мощности на уровне ячейки может иметь огромные последствия в дальнейшем", - говорит Джошуа Пирс, профессор материаловедения и электротехники в Мичиганском технологическом институте. По его словам, стоимость солнечной энергии уже сопоставима с традиционными формами электричества и является самым быстрорастущим источником энергии. Это 10-процентное падение должно еще быстрее вывести солнечную энергию на передний план.
Замена кремния, используемого в солнечных элементах, на возобновляемые источники энергии снижает затраты
Кремний является стандартным светопоглощающим материалом, используемым в солнечных фотоэлектрических (PV) элементах. Он существует в двух основных формах: совершенные кристаллы, которые стоят дороже и дают более высокую эффективность, и поликристаллический кремний, который стоит меньше, но предлагает более низкую эффективность. При обычном травлении для уменьшения отраженного света оба типа по-прежнему теряют часть света, что придает большинству солнечных панелей их синий цвет.
Исследователи уже знали, что нанотекстурирование кремния с помощью сухого травления позволяет получить черный кремний (черный кремний), который более эффективно улавливает свет, чем стандартные методы травления. Он не имеет цвета, потому что процесс сухого травления берет обычно плоскую поверхность кремния и «вытравливает ее в лес наноразмерных иголок», - говорит Пирс. «Эти иглы хватают свет и не дают ему уйти. Это как смотреть в глаза Дарту Вейдеру».
Обычно такая большая площадь поверхности со многими поверхностными дефектами ухудшает электрические характеристики, но исследователи из Университета Аалто обнаружили, что, когда кремний также обрабатывается соответствующим покрытием атомно-слоевого осаждения (ALD), влияние поверхностных дефектов уменьшается. смягчено.
Типичное мнение заключалось в том, что стоимость черных кремниевых элементов, полученных методом сухого травления и ALD, слишком высока для практического использования, особенно в отрасли, где, по словам Пирса, «маржа крайне мала. как можно ниже."
Однако результаты их исследования шокировали даже Пирса. В то время как исследователи обнаружили, что производство отдельных задних ячеек с пассивным эмиттером черного кремния (PERC) составляло от 15.8 и 25,1 процента дороже, чем производство обычных элементов, они также обнаружили, что повышение эффективности и возможность перейти на менее дорогой исходный материал из поликристаллического кремния намного перевешивают эти дополнительные затраты: общая стоимость единицы мощности снизилась на 10,8 процента.
Будущее возобновляемых источников энергии и производства солнечной энергии с помощью материаловедения
Черный не только лучше синего, когда речь идет о солнечных панелях. Улучшения могут начать побеждать главного конкурента возобновляемых источников энергии в борьбе с изменением климата.
«Люди, которые думают, что угольные технологии смогут конкурировать с солнечными, должны знать, что стоимость солнечной энергии все еще снижается. Большинство угольных компаний уже или близки к банкротству», - говорит Пирс. «В будущем уголь не сможет конкурировать с солнечными батареями».
Он добавляет: «Это исследование указывает на будущее фотоэлектрического производства и на то, что страны могут захотеть сделать, чтобы получить конкурентное преимущество».
Объединение усилий через Атлантику для эффективного использования солнечной энергии
Пирс завершил это исследование, находясь в творческом отпуске в качестве выдающегося профессора Фулбрайта в Университете Аалто в Финляндии. Он работал с группой электронной физики Хеле Савин и имел доступ к их данным об этих процессах. Исследователи также смогли получить информацию о производственных затратах от компаний, которая не является публичной, но им разрешено использовать для этого исследования, наряду с опубликованной литературой по солнечным элементам..
Хотя спотовая цена на солнечные элементы может меняться день ото дня или даже по часам, результаты все еще остаются в силе. «Это 10-процентное снижение между типами клеток по сравнению с тем числом, которое было в тот день», - говорит он. Это связано с тем, что сравнения проводились по относительным затратам, а не по абсолютным затратам. Именно поэтому в расчетах не учитывались произвольно колеблющиеся тарифы.
Что ждет солнечную энергию и возобновляемые источники энергии
Пирс говорит, что, хотя производственный процесс все еще можно оптимизировать, чтобы получить еще несколько процентных пунктов эффективности, следующий шаг в этом исследовании должен быть использован политиками для ускорения производства фотоэлектрических систем. Для такой страны, как Китай, которая уже доминирует в мировом производстве фотоэлектрических систем, «внести это относительно небольшое изменение довольно тривиально». Европейский Союз, который в настоящее время производит большую часть производственного оборудования, также должен «внимательно рассмотреть возможность расширения инструментов глубокого реактивного ионного травления и ALD для удовлетворения потребностей быстрорастущего рынка фотоэлектрических систем». Он надеется, что такие страны, как США, которые раньше доминировали в области солнечной энергетики, будут использовать эти данные на политическом уровне, чтобы обойти международных производителей и инвестировать в производство новых машин для производства этих типов солнечных элементов.
«Я не знаю, какая технология в конечном итоге станет доминирующей в области солнечной энергетики», - сказал он, однако «Исследование показывает явный экономический импульс для движения в направлении сухого травления черного кремния PERC». такого раньше не было."
Это исследование было проведено с Кьярой Моданезе, Ханну Лайне, Тони Пасанен и Хеле Савин из Университета Аалто в Финляндии.