Более дешевые солнечные батареи должны быть тоньше

дешсолпан

 

Поскольку большинство возможностей для экономии затрат на солнечные панели доведены до крайности, дальнейшее сокращение затрат становится все труднее найти.

Теперь исследователи из Массачусетского технологического института (MIT) и Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL) нашли путь к дальнейшему сокращению затрат, на этот раз путем уменьшения самих кремниевых элементов.

Тонкие кремниевые элементы исследовались ранее, около десятка лет назад, когда стоимость кремния достигла своего пика из-за нехватки поставок. Но эти исследования столкнулись с некоторыми трудностями: тонкие кремниевые пластины были слишком хрупкими, что приводило к недопустимым уровням потерь в процессе производства, и они имели более низкую эффективность. Исследователи говорят, что в настоящее время есть способы решить эти проблемы за счет использования более совершенного погрузочно-разгрузочного оборудования и некоторых последних разработок в области архитектуры солнечных элементов.

Новые результаты подробно изложены в статье в журнале Energy and Environmental Science, соавторами которой являются доктарант Же Лю из MIT, профессор машиностроения Тонио Буонасси и пять других сотрудников MIT и NREL.

Исследователи описывают свой подход как «технико-экономический», подчеркивая, что на данном этапе экономические соображения так же важны, как и технологические, для достижения дальнейшего улучшения доступности солнечных батарей.

В настоящее время 90 % солнечных панелей в мире сделаны из кристаллического кремния, и эта отрасль продолжает расти со скоростью около 30 % в год, говорят исследователи. Современные кремниевые фотоэлектрические элементы, являющиеся сердцем этих солнечных панелей, сделаны из кремниевых пластин толщиной 160 микрометров, но с улучшенными методами обработки, исследователи предполагают, что их можно уменьшить до 100 микрометров – и в конечном итоге всего до 40 микрометров или меньше, что потребовало бы только одной четверти количества кремния для данного размера панели.

По их словам, это могло бы не только снизить стоимость отдельных панелей, но, что еще важнее, обеспечить быстрое расширение производственных мощностей солнечных панелей. Это связано с тем, что расширение может быть ограничено только скоростью постройки новых заводов для производства слитков кристаллического кремния, которые затем нарезаются, как салями, для изготовления пластин. Эти заводы, которые, как правило, располагаются отдельно от заводов по производству солнечных элементов, как правило, капиталоемкие и требуют много времени для строительства, что может привести к узким местам в темпах расширения производства солнечных панелей. Исследователи считают, что уменьшение толщины пластины может решить эту проблему.

В исследовании рассматривались уровни эффективности четырех вариантов архитектуры солнечных элементов, включая элементы PERC (пассивированный излучатель и задний контакт) и другие передовые высокоэффективные технологии, сравнивая их выходы при различных уровнях толщины. Команда обнаружила, что на самом деле было небольшое снижение производительности при толщине 40 микрометров, используя современные улучшенные производственные процессы.

«Мы видим, что существует область (из графиков эффективности в зависимости от толщины), где эффективность остается неизменной, – говорит Лю, – и именно в этой области вы потенциально можете сэкономить немного денег». Из-за этих достижений в архитектуре солнечных элементов, говорит он, «мы действительно начали понимать, что пришло время пересмотреть экономику».

По словам Лю, переход на огромные заводы по производству панелей для адаптации к более тонким пластинам будет трудоемким и дорогостоящим процессом, но анализ показывает, что преимущества могут значительно перевесить затраты. По его словам, потребуется время, чтобы разработать необходимое оборудование и процедуры для более тонкого материала, но с существующей технологией «должно быть относительно просто снизить толщину до 100 микрометров», что уже обеспечит некоторую существенную экономию. Дальнейшие усовершенствования технологии, такие как лучшее обнаружение микротрещин до их роста, могут способствовать дальнейшему снижению толщины.

В будущем толщина может быть уменьшена до 15 микрометров, говорит он. По его словам, новые технологии, позволяющие получать тонкие пластины из кремниевого кристалла напрямую, а не нарезка их из большего цилиндра, могут помочь в дальнейшем уменьшении.

В последние годы разработке тонкого кремния уделялось мало внимания, поскольку цены на кремний снизились. Но из-за снижения стоимости, которое уже имело место из-за эффективности солнечных элементов, производственного процесса и цепи поставок, стоимость кремния снова является важным фактором.

«Эффективность может возрасти только на несколько процентов. Поэтому, если вы хотите добиться дальнейших улучшений, то вам нужно уменьшать толщину», – говорит Буонасси. Но преобразование потребует крупных капиталовложений для полномасштабного развертывания.

По его словам, цель этого исследования – предоставить дорожную карту для тех, кто может планировать расширение технологий производства солнечной энергии.

Андре Аугусто, младший научный сотрудник из Университета штата Аризона, который не был связан с этим исследованием, говорит, что «переработка кремния и производство пластин является самой капиталоемкой частью процесса производства солнечных панелей. При быстром расширении, поставки пластин могут стать проблемой. Утончение частично решает эту проблему, поскольку вы сможете производить больше пластин на одной машине без значительного увеличения капитальных затрат». Он добавляет, что «более тонкие пластины могут обеспечить преимущества производительности в определенных климатических условиях», работая лучше 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 ячейках, будет очень значительным, как отмечается в документе. Наиболее очевидный выигрыш заключается в общем объеме капитала, требуемом для масштабирования фотоэлектрической промышленности до мульти-тераваттного масштаба, необходимого для решения проблемы изменения климата. Другим преимуществом является количество энергии, необходимое для производства кремниевых фотоэлектрических панелей. Это связано с тем, что процессы производства поликремния и роста слитков, требуемые для производства высокоэффективных элементов очень энергоемкие».

Уилсон добавляет: «Крупные производители фотоэлементов и модулей должны получать информацию от заслуживающих доверия групп, таких как профессор Буонасси из MIT, поскольку они сделают этот переход, когда смогут четко увидеть экономические выгоды».

 

https://econet.ru/articles/bolee-deshevye-solnechnye-batarei-dolzhny-byt-tonshe


28.01.2020