Costurile panourilor solare au scăzut în ultimii ani, ducând la rate ale instalațiilor solare mult mai mari decât se așteptau majoritatea analiștilor. Dar, cu majoritatea potențialelor domenii de economisire a costurilor deja împinse la extrem, reducerile suplimentare ale costurilor devin mai dificile de găsit.

ieftine

Acum, cercetătorii de la MIT și de la Laboratorul Național de Energii Regenerabile (NREL) au subliniat o cale către reducerea costurilor în continuare, de această dată prin slăbirea celulelor de siliciu în sine.

Celulele de siliciu mai subțiri au fost explorate înainte, în special în urmă cu aproximativ o duzină de ani, când costul siliciului a atins un nivel maxim din cauza lipsei de aprovizionare. Dar această abordare a suferit unele dificultăți: napolitele subțiri de siliciu erau prea fragile și fragile, ducând la niveluri inacceptabile de pierderi în timpul procesului de fabricație și aveau o eficiență mai mică. Cercetătorii spun că există acum modalități de a începe abordarea acestor provocări prin utilizarea unor echipamente de manipulare mai bune și a unor dezvoltări recente în arhitectura celulelor solare.

Noile descoperiri sunt detaliate într-o lucrare din revista Energy and Environmental Science, co-scrisă de MIT postdoc Zhe Liu, profesor de inginerie mecanică Tonio Buonassisi și alți cinci de la MIT și NREL.

Cercetătorii descriu abordarea lor ca fiind „tehnico-economică”, subliniind că în acest moment considerațiile economice sunt esențiale, ca și cele tehnologice în realizarea unor îmbunătățiri suplimentare în ceea ce privește accesibilitatea panourilor solare.

În prezent, 90 la sută din panourile solare din lume sunt fabricate din siliciu cristalin, iar industria continuă să crească cu o rată de aproximativ 30 la sută pe an, spun cercetătorii. Celulele fotovoltaice din siliciu de astăzi, inima acestor panouri solare, sunt fabricate din napolitane de siliciu cu o grosime de 160 micrometri, dar cu metode de manipulare îmbunătățite, cercetătorii propun că acest lucru ar putea fi ras până la 100 micrometri - și, în cele din urmă, doar 40 micrometri mai puțin, ceea ce ar necesita doar o pătrime din siliciu pentru o dimensiune dată a panoului.

Acest lucru ar putea reduce nu numai costul panourilor individuale, spun ei, dar și mai important, ar putea permite extinderea rapidă a capacității de producție a panourilor solare. Acest lucru se datorează faptului că extinderea poate fi constrânsă de limitele privind viteza cu care se pot construi noi plante pentru a produce lingouri de cristal de siliciu care sunt apoi feliate ca salam pentru a face napolitane. Aceste instalații, care sunt în general separate de fabricile de producere a celulelor solare, tind să fie mari în capital și consumatoare de timp pentru a construi, ceea ce ar putea duce la un blocaj în rata de expansiune a producției de panouri solare. Reducerea grosimii napolitanei ar putea ameliora această problemă, spun cercetătorii.

Studiul a analizat nivelurile de eficiență a patru variații ale arhitecturii celulelor solare, inclusiv celulele PERC (emițător pasivat și contactul din spate) și alte tehnologii avansate de înaltă eficiență, comparând ieșirile lor la diferite niveluri de grosime. Echipa a constatat că a existat de fapt o mică scădere a performanței până la grosimi de până la 40 micrometri, folosind procesele de fabricație îmbunătățite de astăzi.

„Vedem că există această zonă (a graficelor eficienței în funcție de grosime) în care eficiența este plană”, spune Liu, „și astfel este regiunea în care ați putea economisi niște bani.” Datorită acestor progrese în arhitectura celulară, spune el, „am început cu adevărat să vedem că a sosit timpul să revizuim beneficiile costurilor”.

Schimbarea imenselor fabrici de fabricare a panourilor pentru a se adapta la napolitele mai subțiri va fi un proces care necesită mult timp și costisitor, dar analiza arată că beneficiile pot depăși cu mult costurile, spune Liu. Va dura timp pentru a dezvolta echipamentele și procedurile necesare pentru a permite materialul mai subțire, dar cu tehnologia existentă, spune el, "ar trebui să fie relativ simplu să coborâți la 100 micrometri", ceea ce ar oferi deja unele economii semnificative. Alte îmbunătățiri ale tehnologiei, cum ar fi o mai bună detectare a microfisurilor înainte ca acestea să crească, ar putea ajuta la reducerea în continuare a grosimilor.

În viitor, grosimea ar putea fi redusă la 15 micrometri, spune el. Noile tehnologii care cultivă napolitane subțiri de cristal de siliciu direct, mai degrabă decât tăierea lor dintr-un cilindru mai mare, ar putea ajuta la o astfel de subțiere suplimentară, spune el.

Dezvoltarea siliciului subțire a primit puțină atenție în ultimii ani, deoarece prețul siliciului a scăzut de la vârful său anterior. Dar, din cauza reducerilor de costuri care au avut deja loc în eficiența celulelor solare și în alte părți ale procesului de fabricație a panourilor solare și ale lanțului de aprovizionare, costul siliciului este din nou un factor care poate face diferența, spune el.

"Eficiența poate crește doar cu câteva procente. Deci, dacă doriți să obțineți îmbunătățiri suplimentare, grosimea este calea de urmat", spune Buonassisi. Dar conversia va necesita investiții mari de capital pentru desfășurarea pe scară largă.

Scopul acestui studiu, spune el, este de a oferi o foaie de parcurs pentru cei care ar putea planifica extinderea tehnologiilor de fabricație solară. Făcând calea „concretă și tangibilă”, spune el, aceasta ar putea ajuta companiile să includă acest lucru în planificarea lor. „Există o cale”, spune el. "Nu este ușor, dar există o cale. Iar pentru primii motori, avantajul este semnificativ."

Ceea ce ar putea fi necesar, spune el, este ca diferiții actori cheie din industrie să se reunească și să stabilească un set specific de pași înainte și standarde convenite, așa cum a făcut industria circuitelor integrate pentru a permite creșterea explozivă a acelui industrie. „Ar fi cu adevărat transformator”, spune el.

Andre Augusto, cercetător asociat la Universitatea de Stat din Arizona, care nu a fost legat de această cercetare, spune că „rafinarea fabricării siliciului și a napolitanțelor este cea mai importantă cheltuială de capital (capex) care solicită o parte a procesului de fabricație a panourilor solare. Deci, într-un scenariu de extinderea rapidă, aprovizionarea cu napolitane poate deveni o problemă. Devenirea subțire rezolvă parțial această problemă, deoarece puteți produce mai multe napolitane pe mașină fără a crește semnificativ capexul. " El adaugă că „napolitane mai subțiri pot oferi avantaje în ceea ce privește performanța în anumite zone climatice”, performând mai bine în condiții mai calde.

Analistul energiei regenerabile, Gregory Wilson de la Gregory Wilson Consulting, care nu a fost asociat cu această lucrare, spune că „Impactul reducerii cantității de siliciu utilizat în celulele principale ar fi foarte semnificativ, așa cum subliniază lucrarea. Cel mai evident câștig este în cantitatea totală de capital necesară pentru a scala industria fotovoltaică la scara multi-terawați necesară pentru problema schimbărilor climatice. Un alt beneficiu este cantitatea de energie necesară pentru a produce panouri fotovoltaice din siliciu. necesare pentru producerea de celule de înaltă eficiență sunt foarte consumatoare de energie. "

Wilson adaugă: „Majoritatea producătorilor de celule și module fotovoltaice trebuie să audă de la grupuri credibile, cum ar fi prof. Buonassisi de la MIT, deoarece vor face această schimbare atunci când vor vedea în mod clar beneficiile economice”.