Leistungsstärker, flexibler und vielseitiger: Die nächste Generation der Solartechnologie entsteht
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Während die Solarenergie in den Vereinigten Staaten mit Rekordinvestitionen und -installationen boomt, wird erwartet, dass eine Welle technologischer Fortschritte verändern wird, wie viel Energie Solarenergie erzeugen kann, wo sie eingesetzt werden kann und wie lange sie halten kann.
„Es scheint, als ob eine gute Idee sehr schnell in der gesamten Branche umgesetzt werden kann“, sagt Chris Dillen, ein Forschungsingenieur, der die PV Field Performance Group am National Renewable Energy Laboratory leitet.
In den letzten fünf Jahren, so Dillen, sei die Branche „komplett von Aluminium-Rückseitensolarzellen (Al-BSF) zu passiven Emitter-Rückkontaktsolarzellen (PERC-Zellen) umgestiegen.“ „Und es scheint neue Marktteilnehmer im Bereich des n-Typ-Siliziums zu geben, die bereit sind, dasselbe zu tun“, sagte er und ersetzte PERC.
Beispielsweise beginnt die Solarindustrie jetzt mit der Umstellung von p-Typ-PERC-Zellen auf n-Typ-Tunneloxid-Passivierungskontaktzellen, kurz TOPCon. N-Typ-Zellen werden passiv mit Chemikalien wie Phosphor endozytiert, während P-Typ-Zellen aktiv endozytiert werden. Beim Dotieren werden Halbleitern Verunreinigungen zugesetzt, um deren elektrische Leitfähigkeit zu erhöhen.
In den Anfängen der Solartechnologie beschränkten sich Installationen auf Weltraumanwendungen wie Satelliten, und p-Typ-Zellen erwiesen sich als widerstandsfähiger gegen Strahlung und Zersetzung im Weltraum als n-Typ-Zellen. Dies ermöglichte es der P-Typ-Technologie schon früh, einen größeren Marktanteil zu gewinnen, und diese Dominanz hielt auch nach Beginn der terrestrischen Solaranlagen an – obwohl N-Typ-Zellen für den Einsatz in Versorgungsunternehmen und anderen Anwendungen außerhalb des Weltraums effizienter und flexibler sind.
Mittlerweile sind N-Typ-Zellen auf dem Vormarsch.
Die Sonnenkollektoren sind auf einem Bild vom 1. Dezember 1993 mit dem Hubble-Weltraumteleskop zu sehen.
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„Das wird eine große Wende sein“, sagte Dillen. „Es ist wie das Mooresche Gesetz immer schnellerer Computerprozessoren, das es ihnen ermöglicht, immer höhere Effizienzen zu erreichen.“
PERC hat seine Dominanz auf dem Solarmodulmarkt im Jahr 2022 fortgesetzt, Experten gehen jedoch davon aus, dass die Technologie den gleichen Weg gehen wird wie sein Vorgänger Al-BSF. Die Deutscher Industrieverband VDMA In einem Bericht vom April heißt es, man erwarte, dass der Marktanteil von TOPCon von etwa 10 % im Jahr 2022 auf bis zu 60 % weltweit im nächsten Jahrzehnt steigen und nach 2025 zum dominierenden Zelltyp werden werde.
„Die allgemein akzeptierte Ansicht ist, dass TOPCon seinen Marktanteil relativ schnell steigern und in nicht allzu ferner Zukunft wahrscheinlich die kristalline Silizium-Solartechnologie dominieren wird“, sagte Markus Glöckler, Chief Technology Officer bei First Solar.
Über alle Modultypen hinweg sind die durchschnittlichen Kosten für den Bau von Solaranlagen in US-Dollar pro Kilowatt seit 2013 um einige tausend US-Dollar gesunken und liegen im Jahr 2021 um 6 % auf 1.561 US-Dollar pro Kilowatt. Das sagte die Energy Information Administration in einer Analyse vom Oktober.
Woraus besteht eine Solarzelle?
Während Glöckler eine glänzende Zukunft für TOPCon sieht, sagt er, First Solar sei „zuversichtlich“ in seinem Engagement für die Dünnschichttechnologie in Form von Cadmiumtellurid oder CdTe, der gebräuchlichsten Paneltechnologie für den Einsatz im Versorgungsmaßstab – während Insgesamt dominieren weiterhin kristalline Siliziummodule wie TOPCon.
Das Unternehmen soll in der zweiten Hälfte des Jahres 2024 mit der Produktion seiner CuRe-Kupferreduktionstechnologie beginnen. Glückler geht davon aus, dass das Unternehmen aufgrund der „erwarteten geringeren Abbaurate“ bei Kontakt mit TOPCon „sehr gut mit TOPCon konkurrieren kann“. . Hohe Temperaturen und Luftfeuchtigkeit.
Das Unternehmen sei außerdem optimistisch, das Potenzial von Perowskit-Solarzellen auszuschöpfen, bei denen es sich „im Wesentlichen um Dünnschichthalbleiter“ handele, sagte Glückler.
Perowskit-Zellen Kürzliche Effizienzsteigerungen erzielt, Der Einsatz im kommerziellen Maßstab bleibt jedoch schwierig, da die Chemie Stabilitätsprobleme mit sich bringt.
Im Vergleich zu Silizium sei Perowskit „relativ kostengünstig“, sagte Dillen. „Grundsätzlich kann die Tatsache, dass es so einfach herzustellen ist, ein Grund dafür sein, dass es so schwierig ist, es stabil zu machen.“
Eine konstruierte einkristalline Perowskit-Dünnschicht wurde auf einer Reihe von Substraten mit unterschiedlichen Gitterzusammensetzungen und -größen gezüchtet.
Die erste Solarenergie Sein Konkurrent ist Hanwha Kyocells Beide haben in diesem Jahr in die Perowskit-basierte Tandemzellentechnologie investiert. First Solar hat Evolar übernommen, ein schwedisches Startup mit Schwerpunkt auf Tandemzellen, und Qcells hat eine Investition von 100 Millionen US-Dollar in seine Tandemzellen-Produktlinie angekündigt.
Tandem-Junction-Zellen bieten „einen Weg zu einer höheren Effizienz der Einheit im Vergleich zu Single-Junction-Designs“. Laut NREL. Mehrfachübergänge – oder Grenzen zwischen Schichten halbleitender Materialien – ermöglichen es Solarzellen, die Shockley-Quiser-Grenze zu durchbrechen, eine theoretische Grenze, die verhindert, dass Zellen mit Einfachübergängen mehr als 30 % der auf sie einfallenden Sonnenenergie absorbieren.
Dennoch versuchen Forscher immer noch, mit Single-Junction-Zellen höhere Wirkungsgrade zu erreichen.
NREL gab am 25. Oktober den Durchbruch bei der Single-Link-Effizienz bekannt und erreichte damit ein neues Niveau 27 % Wirkungsgrad mit Galliumarsenidzelle. In einer Pressemitteilung erklärte das Labor, dass die Forscher den Transplantationsprozess und die Struktur der oberen Zellschicht verbessert hätten, um die negativen Auswirkungen von Defekten zu reduzieren.
Bifazialität, also die Fähigkeit einer Solarzelle, Strom zu erzeugen, wenn sie von beiden Seiten beleuchtet wird, ist eine weitere bahnbrechende Innovation. Ein wichtiger Trend, den Deline in der gesamten Solarbranche sieht, sind „immer größere Module“, was es einfacher macht, Effizienzsteigerungen durch bifaziale Solarmodule zu erzielen.
„Sie können jetzt ein 630- oder 650-Watt-Gerät kaufen, und hier erfahren Sie, warum [the module] „Es ist riesig“, sagte er. „In vielen Fällen umfasst dies zwei Glasschichten auf der Vorder- und Rückseite, was die Duplexgewinne auf der Rückseite des Panels erhöht, wo „klares Glas anstelle einer weißen Polymerfolie“ vorhanden ist.
Weitere Innovationsbereiche bei der Herstellung und dem Einsatz von Solarmodulen umfassen verschiedene Arten von Legierungen und Wafern, Wafertechnologien und Zellstrukturen oder Modularchitekturen sowie günstigere, einfachere und einfachere Produkte, sagte Garrett Nielsen, stellvertretender Direktor des Büros des US-Energieministeriums für Solarenergietechnologien. Flexiblere Regalsysteme.
„Dies ist ein guter Zeitpunkt, sich mit der Solartechnologie zu befassen“, sagte Delin. „Es gibt viele Innovationen und es gibt viele neue Investitionen.“
Wo können Solarmodule eingesetzt werden?
Da die in Solarzellen verwendete Technologie einer schnellen Innovation unterliegt, arbeiten Forscher auch daran, die Art und Weise und den Einsatzort von Anlagen zu erweitern.
Projekte des Energieministeriums, die die Vereinigten Staaten installieren müssen 1 Terawatt Solarkapazität Um die Dekarbonisierungsziele bis 2035 zu erreichen, sei „mehr Vielfalt bei den Standortkonfigurationen“ erforderlich, so das Ministerium.
Schwimmende Solarenergie ist in Südostasien und Europa relativ verbreitet, wurde in den Vereinigten Staaten bisher jedoch nur in kleinem Maßstab eingesetzt, sagte Juan Gallego Calderon, ein Ingenieur für saubere Energie am Idaho National Laboratory. Diese Einsätze waren in ihrer Größe auf etwa 10 Megawatt begrenzt und befanden sich in künstlichen Gewässern, die keiner Bundesregulierung unterliegen.
Gallego-Calderon arbeitet am INL-Projekt, um den Einsatz schwimmender Photovoltaik in Stauseen zu beschleunigen, die von Bundesbehörden wie dem U.S. Army Corps of Engineers, dem Bureau of Reclamation und der Federal Energy Regulatory Commission kontrolliert werden.
Er sagte: „Der Grund für den Verzicht auf den Einsatz von Kräften in diesen Gebieten ist das Fehlen organisatorischer Regelungen.“ „Deshalb untersuchen wir regulatorische und ökologische Wege und erstellen ein technisches und wirtschaftliches Bewertungstool, das auch die Umweltmodellierung umfasst.“
Das schwimmende 1,1-Megawatt-Solarmodulsystem wird 2022 auf dem Big Muddy Lake in Camp Mackall in North Carolina installiert.
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Es ist die größte schwimmende Solaranlage in den Vereinigten Staaten 8,9-MW-Anlage am Canoe Brook Reservoir in Short Hills, New Jersey, und im Besitz von New Jersey Resources und wird von diesem betrieben.
Schwimmende Solarenergie in Bundesreservoirs könnte dazu beitragen, Landnutzungsstreitigkeiten zu vermeiden – Etwa der Widerstand gegen Solaranlagen als „hässlich“. — Und legen Sie es in ein Wasserkraftwerk, um ein Hybridsystem zu schaffen, das die Eindämmung der Sonneneinstrahlung reduzieren kann. NREL wurde im Bericht 2022 gefunden.
„Wir prüfen eine geplante Wasserspeicheranlage, bei der bereits mit einem Unternehmen zusammengearbeitet wird, um ein schwimmendes Photovoltaiksystem zu entwerfen, das im oberen Reservoir installiert werden soll und in Verbindung mit dem Pumpspeicherkraftwerk betrieben wird“, sagte Gallego Calderon. „Sie arbeiten jetzt an der Lizenz zur Einreichung bei FERC, also passiert etwas.“
Ist nachhaltiges Recycling möglich?
INL und First Solar arbeiten außerdem zusammen, um einen nachhaltigeren Recyclingprozess für CdTe-Module zu entwickeln, indem sie an einem von der University of Kansas geleiteten Projekt teilnehmen.
„Etwa die Hälfte der Solarprojekte im Versorgungsmaßstab nutzen Tellur-basierte Dünnschicht-Solarmodule“, sagte Daniel Ginosar, Leiter der Chemical Systems Group am INL. „Das Alter dieser Leute [is] Normalerweise dauert es zwanzig Jahre, bis sie an Effizienz verlieren.
Es gibt auch Überlegungen zur Lieferkette. Während die Vereinigten Staaten darauf abzielen, große Mengen erneuerbarer Energien einzusetzen,… Die Biden-Regierung gab ein Ziel bekannt Verringerung der Abhängigkeit von China bei der Beschaffung wichtiger MineralienEinschließlich Tellur.
„Wir wollten verstehen, wie wir Tellur für die Wiederverwendung in neuen Solarmodulen zurückgewinnen und gleichzeitig die Abfallmenge reduzieren können, die Systeme erzeugen, die am Ende ihrer Lebensdauer nicht mehr genutzt werden“, sagte Ginosar. Derzeit ist das Recycling von CdTe-Platten kein „vollständiger Prozess“.
Bei der aktuellen Technologie wird versucht, die Polymerbindungen in den Platten aufzubrechen, indem man sie zu einem Pulver zerkleinert und versucht, Cadmium und Tellur aus diesem Pulver herauszulösen.
Die Forscher entwickelten ein alternatives Verfahren, bei dem ein Ultraschallmischer eingesetzt wird, um Flüssigkeiten wie flüssiges Butan in die Lage zu versetzen, die Polymerbindung aufzulösen und so die Extraktion von Cadmium und Tellur zu erleichtern.
Ginosar geht davon aus, dass es in den nächsten 10 bis 20 Jahren zu einem „massiven“ Zuwachs an Solarenergie kommen wird, auch wenn die Solarpaneele bis dahin nicht schnell genug außer Betrieb gehen werden, um die Materialien für die neuen Paneele bereitzustellen, die hergestellt werden.
„Aber bis 2050 werden diese [new] Die Paneele werden das Ende ihrer Lebensdauer erreichen, und dann können wir durch Recycling wirklich einen großen Unterschied machen.
Dieses spezielle Projekt konzentriert sich nur auf CdTe-Module, aber Forscher wollen die Methode auf „alle verschiedenen Arten“ von Solarmodulen ausweiten, ob Dünnschicht- oder Silizium-basierte, sagte Ginosar.
„Wir fangen gerade erst an und die Finanzierung zeigt sich gerade erst“, sagte er. „Kurzfristig ist es schwierig, das Problem durch Recycling zu lösen. Aber auf lange Sicht können wir relativ nachhaltig sein und Tellur effektiv zurückgewinnen, sodass wir es nicht mehr in China abbauen müssen.“
