Den totala installerade kapaciteten för solcellsmoduler på jorden under de senaste tio åren har ökat med mer än 15 gånger och nått 700 GW. Men detta segment av energiindustrin är ganska litet - 2020 producerade solpaneler på jorden bara cirka 3% av världens elektricitet. Och för tio år sedan var det en storleksordning mindre - cirka 0,2%.

År 1883 skapade den amerikanske ingenjören Fritts en prototyp solcell gjord av guldpläterat selen med en verkningsgrad på 1%.

Den italienska forskaren av armeniskt ursprung Giacomo Chamichan presenterade projektet med sitt solbatteri 1912.

På 1930-talet skapades talliumsulfidfotoceller i Sovjetunionen under ledning av akademikern Abram Ioffe.

Nära moderna solceller baserade på kiselhalvledare tillverkades först på BellLaboratories. Effektiviteten för deras batterier var bara 4%. Ändå gick den amerikanska satelliten Vanguard 1 ut i rymden med sådana batterier 1958. Samma år flög den sovjetiska Sputnik-3 ut i rymden med kiselsolbatterier ombord.

Prestandakoefficienten (COP) för massproducerade industriella solceller (kiselmoduler utrustade med elektronik) har ökat från 16 % till 20 % under de senaste 10-15 åren, och i laboratorieprover (ej inkapslade celler) - upp till 24 -26 %. Den teoretiska gränsen för monokristallina kiselbatterier är 29,4 %. Den här typen av solceller är fortfarande den mest populära, precis som för decennier sedan. Det upptar cirka 95 % av den nuvarande marknaden för solceller för omvandling av solenergi.

De mest "soliga" länderna

Det är mycket svårt att uppskatta utvecklingen av solenergi i genomsnitt på planeten. I vissa länder finns det inte alls, i andra är det rent symboliskt, men i vissa utgör det redan en betydande del av den totala energiproduktionen. Ledaren på detta område är utan tvekan Kina, där från 2010 till 2020 var den totala märkeffekten för alla moduler av solenergiomvandlingskällor 253 GW. Det är en och en halv gånger mer än i alla EU-länder tillsammans. Nästan fyra gånger mindre är den installerade kapaciteten för solceller som dök upp under samma period i USA (73,8 GW) och Japan (67 GW). Inte långt ifrån dem ligger Tyskland (53,8 GW), Indien (39 GW), Italien (21,6 GW), Australien (17 GW), Vietnam (16,5 GW), Frankrike (11,7 GW). Andra länder, inklusive solenergi Brasilien och Thailand, producerade utrustning med en nominell kapacitet av solkraftverk mindre än 10 GW på tio år, och några, som Argentina, mindre än 1 GW. Experter, som rapporterar om utvecklingen av solenergisektorn, tar sällan till absoluta värden, eftersom dessa siffror i de flesta länder ser mycket ofördelaktiga ut. Oftast hänvisar de till rekordhög tillväxt, som verkligen är sådan i många stater. Till exempel, sedan 2015, har Ryssland ökat solenergiproduktionen med 14 gånger - från 0,1 GW till 1,4 GW. Bara under 2020 ökade detta värde med 39 % (från 1,1 GW till 1,4 GW). Siffrorna är fortfarande små, men tempot är utmärkt.

Solceller av enkristalltyp (tunna plattor gjorda av en bit kisel) är pålitliga, "condo", hållbara, med sina uppenbara plus- och minus. Under en kort tid tappade de i pris till tunnfilmssolceller, där lager av amorft (utan kristallin struktur av atomer) kisel avsattes på vanligt glas eller annat substrat. Men effektiviteten för sådana celler var bara 10%, och priserna på enkristallkisel föll, och snart ockuperade tunnfilmssolceller sin lilla nisch - ett billigt segment av lätta mobilbatterier, till exempel för att ladda telefoner i naturen . Huvudfokus på att förbättra tekniken som ett lovande grönt alternativ till kolvätebränslen idag ligger på enkristallteknologi, där det centrala elementet är tunt skurna wafers-skivor från en enda "stång" av kisel.

Alla täckta med filmer

Laboratorier experimenterar med olika föreningar, alla med sina egna fördelar och nackdelar. Genom att uppnå utmärkta resultat i vissa parametrar, förlorar forskare oundvikligen i andra, och denna oändliga process att kämpa för teknisk överlägsenhet samtidigt som den ekonomiska fördelen bibehålls är som en global kapplöpning för att komma fram till den bästa lösningen snabbare och billigare. Nu är huvudsatsningen i det här loppet på heterostrukturer. De klassificeras som substratenheter eftersom de använder en enkristallkiselskiva som substrat. Den är täckt på båda sidor med flera filmer av olika material, var och en med sin egen funktion. Vanligtvis finns det tunna filmer av amorft kisel på båda sidor av enkristallen. Kristallint och amorft kisel är två material med olika struktur, därav termen "hetero".”Branschen i termer av effektivitet räknas i enheter och med tiondels procent. Som ett exempel ledde en ökning av den genomsnittliga verkningsgraden för en solpanel av standardstorlek från 15% till 20% till en ökning av dess märkeffekt från 250 W till 370 W, det vill säga en och en halv gånger, "förklarade Kandidat för fysikaliska och matematiska vetenskaper, seniorforskare vid Institutet för termisk fysik dem. S. S. Kutateladze från den sibiriska grenen av den ryska vetenskapsakademin Alexander Zamchiy förhållandet mellan "små" segrar för att öka effektiviteten hos en solcell med revolutionerande praktiska resultat.

Alexander har arbetat med att förbättra effektiviteten hos solceller vid Institutet för Energiforskning vid Jülich Research Center i Tyskland som en del av en DAAD-stipendium som en del av ett stort internationellt team. Arbetet, publicerat i NatureEnergy, gjordes med kollegor från Nederländerna, Ryssland, Kina och Ecuador. Forskarna kunde ta reda på att skikten av karbid och kiseldioxid som används som den främre kontaktfilmen för solceller av enkristallkisel kan kombinera korrigeringen av de allra flesta strukturella defekter som minskar konduktiviteten hos kiselskivans yta och ger hög optisk transparens.

Mer transparent än osynlig

En 200 mikron tjock kiselskiva (tillverkarna försöker göra den tunnare för att minska kostnaderna) är en monostruktur där fotoner (ljuspartiklar) absorberas och laddningsbärare föds. Medan industrin (främst kinesisk) förbättrar serieprodukternas kvalitetsegenskaper, är världens ledande laboratorier upptagna med att experimentera med helt nya tillvägagångssätt för solcellers arkitektur. De tre huvudparametrarna för vilka en envis kamp förs är transparens, ledningsförmåga och passivering av främre tunnfilmsbeläggningar. Forskare väljer kombinationer av material och täcker dem med en enkristallplatta av kisel från olika sidor.

Till exempel, genom att använda halvledarfilmer på båda sidor av kristallen, har forskare lärt sig hur man korrigerar defekter på ytan av en kiselkristall, där en kiselatom ofta saknas i kristallgittret, vilket gör det svårt för ström att flyta. Filmbeläggningar från olika halvledarföreningar löser detta problem perfekt - fysiker kallar passivering effekten av att "korrigera" konduktiviteten hos en enda kristall med hjälp av filmer. För passivering på framsidan (översidan) av solcellspanelen använde forskarna, istället för traditionellt amorft kisel, en film av dioxid och tvålagers kiselkarbid, där ett lager innehåller mycket väte (hydrerat). Ett tunt lager (1,5 nm) av kiseldioxid (glas) passiverar kontakterna perfekt. En för ögat osynlig film av dioxid är en nödvändig åtgärd, eftersom tjockt glas inte leder elektricitet.

Väte i kiselkarbidskiktet utför funktionen passivering eller bindning, det vill säga "reparerar" trasiga bindningar för att ström ska flyta. Naturligtvis inte lika bra som amorft kisel klarar av detta, men till skillnad från det har karbidfilmen också hög transparens och konduktivitet. Det vätehaltiga skiktet i karbidfilmen har emellertid inte den erforderliga elektriska ledningsförmågan och transparensen. För att lösa detta problem har forskare gjort en tvåskiktsstruktur av kiselkarbidfilm. Den ena, mycket tunn (3 nm), är ansvarig för god passivering, den andra (25 nm) är ansvarig för ultrahög transparens och utmärkt elektrisk ledningsförmåga. För att göra detta, när man odlar ett filmskikt, höjs temperaturen på metalltråden (en aktivator av gasblandningen från vilken filmen deponeras) från 1775 till 2000 grader, och som ett resultat, en enkel tvåskiktsstruktur med alla nödvändiga egenskaper erhålls.

För det mänskliga ögat verkar alla kiselwaferbeläggningar genomskinliga. Men i optik är transparent annorlunda från transparent. Ju fler fotoner från solljus som träffar plattan, desto fler elektroner kommer att springa längs dess elektroder och desto högre effektivitet har solcellen. Så transparens säkerställde maximal energifångst, och passivering hjälpte strömmen att inte gå sönder och lämna solcellen genom elektroderna utan förlust.Marknadsandelen för enheter baserade på en passiverande kontakt är idag några procent, men enligt experter kommer den att öka till 20 % eller mer i slutet av decenniet. I vårt land är Hevel-företaget engagerat i produktion av solbatterier, som 2009 lanserade en anläggning för produktion av solcellsmoduler baserade på heterostrukturell teknologi i Novocheboksarsk. År 2020 ökade anläggningens kapacitet från 260 MW till 340 MW solpaneler per år, vilket är ungefär lika med den nuvarande totala kapaciteten för alla solpaneler i Orenburgregionen. Solpanelerna från denna tillverkare täcker de stora territorierna i republiken Altai, Buryatia, Bashkiria, Kalmykia, Saratov och Astrakhan, såväl som Adygea och Kazakstan. I slutet av 2021 öppnades ett solkraftverk med en kapacitet på 30 MW i Omsk-regionen och 2022 planeras det att bygga ytterligare två solkraftverk, Chita och Chernovskaya, vardera med 35 MW i Transbaikalia.

En kamp om varje elektron

Nya transparenta passiverande filmer-kontakter gjorda av karbid och kiseldioxid, som täcker solcellerna från framsidan, ökade solbatteriets effektivitet med upp till 24 %. Graferna i artikeln visar att inom vissa områden av energi som tillförs en solcell är transparensnivån för en kiselkarbidfilm tio gånger högre än parametrarna för amorfa kiselfilmer, det vill säga med samma filmtjocklek kommer den att sänder ut tio gånger mer solljus, som omvandlas till elektrisk energi. Detta kommer naturligtvis inte att tiodubbla effektiviteten, eftersom effektiviteten inte bara består av transparens, utan också av passivering och konduktivitet. Att ändra en parameter är tyvärr omöjligt att fixa alla andra. För amorfa kiselfilmer är passiveringen högre, och transparensen är inte särskilt bra, så detta lager placeras i botten av wafern.

Under de senaste sex månaderna efter publiceringen av artikeln i NatureEnergy har forskare utfört ett antal beräkningar med olika beläggningar, för att inte tappa transparensen och öka passiveringen av kiselkarbidfilmen. Efter att ha analyserat alla resultat av sina experiment skapade de en hel "vägkarta", enligt vilken de har alla möjligheter att garantera en ökning av effektiviteten hos solceller med ytterligare 1% under det kommande och ett halvt år, det vill säga, för att få upp den till 25 %.

Utöver de befintliga filmerna applicerade forskarna antireflekterande antireflekterande beläggningar av magnesiumfluorid och försökte säkerställa att ännu färre fotoner reflekterades från solcellens yta.

Förutom att öka skiktningen beslutade författarna till arbetet att minska det ockuperade området för de minsta metallelektroderna, vars täta nätverk täcker solcellen och delar upp den i smala segment. Från botten av solcellen ser elektroden ut som en solid silverfilm av termisk pasta, som appliceras genom screentryck och värmer den upp till 200 grader. Med samma metod appliceras smala silverspår över hela tunnfilmsstrukturen. Författarna till artikeln ansåg att spåren avsevärt skymmer panelen och tar upp för mycket "utrymme under solen." Genom att optimera pläteringsprocessen kommer de att halvera bredden på de ledande silverkontakterna (från 60 till 30 mikron) och därigenom öka effektiviteten lite mer.

Solen på havets botten

Projektet värt mer än 22 miljarder dollar innebär att en 4,2 tusen km lång kabel ska läggas längs Indiska oceanens botten. Genom denna kabel kommer energin som genereras vid solcellsstationer i Australien att överföras till Singapore. Ett annat byråkratiskt hinder i vägen för denna kabel har övervunnits: Indonesien har utfärdat ett tillstånd att verka i dess territorialvatten.

Australiens norra territorier är oändliga vidder och het sol; det finns lite utrymme i Singapore, men han skulle vilja byta energiförsörjning till förnybara källor. De två länderna kan snart mötas i ett av de största och mest ambitiösa projekt för förnybar energi som någonsin genomförts.

Projektet, kallat PowerLink, drivs av det australiensiska företaget Sun Cable, som ska skapa en gigantisk kraftpark i Powell Creek-området. Solpanelerna kommer att uppta 12 000 hektar torr mark, cirka 800 km söder om staden Darwin, en av de soligaste platserna på jorden.

Denna solcellsstation kommer att generera 17-20 GW energi som mest, som kan lagras i batterier med en kapacitet på 36-42 GW.

Powell Creek-stationen kommer att bli nästan tio gånger större än den nuvarande rekordhållaren, Indiens Bhadia Solar Park, med en kapacitet på bara 2 245 GW. Och kapaciteten på framtida batterier överstiger det tidigare rekordprojektet med mer än 30 gånger!

Australien är tydligt motiverat av den enorma framgången med Teslas gigantiska 150MW-batteri byggt i södra Australien 2017. Grannstaten Victoria har meddelat att en 300 MW-anläggning kommer att vara i drift i slutet av 2021. Efter staten New South Wales tillkännagav byggandet största batteriet - 1,2 GW. Men alla dessa batterier ser ut som tomtar i jämförelse med PowerLink.Den solcellsdrivna högspänningskabeln kommer att tillgodose 15 % av Singapores elbehov. Dessutom kommer solcellsstationen också att leverera ljus till staden Darwin, genom vilket kraftöverföringen kommer att passera.

Kabeln beräknas tas i drift 2028. Under tiden tackade David Griffin, VD för Sun Cable, det indonesiska ledarskapet: "Godkännandet av projektet för oss närmare början av en ny era, då generering och överföring av prisvärd, hanterbar förnybar energi kommer att börja i gigantiska mängder ."

Detta är inte den första, men förmodligen den mest avancerade idén om transnationell energiförsörjning från förnybara källor. Framför allt är solenergiproduktionsprojekt kända i Nordafrika med dess överföring till Sydeuropa, samt i Mongoliet med dess överföring till Japan och Sydkorea.

bbabo.Net