Tipuri de Panouri Solare: Avantaje și Dezavantaje

Există trei tipuri principale de panouri solare disponibile comercial: panouri solare monocristaline, panouri solare policristaline și panouri solare cu strat subțire. Există, de asemenea, și alte câteva tehnologii promițătoare aflate în prezent în dezvoltare, inclusiv panouri bifaciale, celule solare organice, sisteme fotovoltaice cu concentrator și chiar inovații la scară nano, cum ar fi punctele cuantice.

Fiecare dintre diferitele tipuri de panouri solare are un set unic de avantaje și dezavantaje pe care consumatorii ar trebui să le ia în considerare atunci când aleg un sistem de panouri solare.

Panouri solare monocristaline

Datorită numeroaselor lor avantaje, panourile solare monocristaline sunt cele mai frecvent utilizate panouri solare pe piața actuală. Aproximativ 95% dintre celulele solare vândute astăzi folosesc siliciul ca material semiconductor. Siliciul este abundent, stabil, netoxic și funcționează bine cu tehnologiile stabilite de generare a energiei electrice.

Dezvoltate inițial în anii 1950, celulele solare din siliciu monocristalin sunt fabricate prin crearea inițială a unui lingou de siliciu de înaltă puritate dintr-o sămânță de siliciu pur, utilizând metoda Czochralski. Din lingou este apoi tăiat un singur cristal, rezultând o napolitană de siliciu cu o grosime de aproximativ 0.3 milimetri (0.011 inches).

Celulele solare monocristaline sunt mai lente și mai scumpe de produs decât alte tipuri de celule solare, datorită modului precis în care trebuie fabricate lingourile de siliciu. Pentru a crește un cristal uniform, temperatura materialelor trebuie menținută foarte ridicată. Prin urmare, trebuie utilizată o cantitate mare de energie datorită pierderii de căldură din sămânța de siliciu care are loc pe parcursul procesului de fabricație. Până la 50% din material poate fi irosit în timpul procesului de tăiere, rezultând costuri de producție mai mari pentru producător.

Dar aceste tipuri de celule solare își mențin popularitatea dintr-o serie de motive. În primul rând, au o eficiență mai mare decât oricare alt tip de celulă solară, deoarece sunt fabricate dintr-un singur cristal, ceea ce permite electronilor să circule mai ușor prin celulă. Deoarece sunt atât de eficiente, pot fi mai mici decât alte sisteme de panouri solare și totuși să genereze aceeași cantitate de electricitate. De asemenea, au cea mai lungă durată de viață dintre toate tipurile de panouri solare de pe piața actuală.

Unul dintre cele mai mari dezavantaje ale panourilor solare monocristaline este costul (datorită procesului de producție). În plus, nu sunt la fel de eficiente ca alte tipuri de panouri solare în situațiile în care lumina nu le lovește direct. Și dacă sunt acoperite de murdărie, zăpadă sau frunze, sau dacă funcționează la temperaturi foarte ridicate, eficiența lor scade și mai mult. În timp ce panourile solare monocristaline rămân populare, costul scăzut și eficiența crescândă a altor tipuri de panouri devin din ce în ce mai atractive pentru consumatori.

Panouri solare policristaline

După cum sugerează și numele, panourile solare policristaline sunt fabricate din celule formate din cristale multiple, nealiniate, de siliciu. Aceste celule solare de primă generație sunt produse prin topirea siliciului de calitate solară și turnarea acestuia într-o matriță, permițându-i să se solidifice. Siliciul turnat este apoi tăiat în napolitane pentru a fi utilizat într-un panou solar.

Celulele solare policristaline sunt mai puțin costisitoare de produs decât celulele monocristaline, deoarece nu necesită timpul și energia necesare pentru a crea și tăia un singur cristal. Și în timp ce granițele create de granulațiile cristalelor de siliciu creează bariere pentru un flux eficient de electroni, acestea sunt de fapt mai eficiente în condiții de lumină slabă decât celulele monocristaline și pot menține producția atunci când nu sunt orientate direct spre soare. Ajung să aibă aproximativ aceeași producție totală de energie datorită acestei capacități de a menține producția de electricitate în condiții adverse.

Celulele unui panou solar policristalin sunt mai mari decât omologii lor monocristalini, astfel încât panourile pot ocupa mai mult spațiu pentru a produce aceeași cantitate de electricitate. De asemenea, nu sunt la fel de durabile sau de lungă durată ca alte tipuri de panouri, deși diferențele de longevitate sunt mici.

Panouri solare cu strat subțire

Costul ridicat al producerii siliciului de calitate solară a dus la crearea mai multor tipuri de celule solare de a doua și a treia generație, cunoscute sub numele de semiconductori cu strat subțire. Celulele solare cu strat subțire necesită un volum mai mic de materiale, utilizând adesea un strat de siliciu de doar un micron grosime, ceea ce reprezintă aproximativ 1/300 din lățimea celulelor solare mono- și policristaline. Siliciul este, de asemenea, de calitate inferioară celui utilizat în napolitanele monocristaline.

Multe celule solare sunt fabricate din siliciu amorf necristalin. Deoarece siliciul amorf nu are proprietățile semiconductoare ale siliciului cristalin, trebuie combinat cu hidrogen pentru a conduce electricitatea. Celulele solare din siliciu amorf sunt cel mai comun tip de celulă cu strat subțire și se găsesc adesea în electronice precum calculatoare și ceasuri.

Alte materiale semiconductoare comerciale viabile cu strat subțire includ telurura de cadmiu (CdTe), diselenidul de cupru indiu galiu (CIGS) și arsenidul de galiu (GaAs). Un strat de material semiconductor este depus pe un substrat ieftin, cum ar fi sticla, metalul sau plasticul, ceea ce îl face mai ieftin și mai adaptabil decât alte celule solare. Ratele de absorbție ale materialelor semiconductoare sunt ridicate, ceea ce este unul dintre motivele pentru care folosesc mai puțin material decât alte celule.

Producția celulelor cu strat subțire este mult mai simplă și mai rapidă decât a celulelor solare de primă generație, și există o varietate de tehnici care pot fi utilizate pentru a le fabrica, în funcție de capacitățile producătorului. Celulele solare cu strat subțire, cum ar fi CIGS, pot fi depuse pe plastic, ceea ce reduce semnificativ greutatea și crește flexibilitatea lor. CdTe deține distincția de a fi singurul strat subțire care are costuri mai mici, timp de recuperare mai rapid, amprentă de carbon mai mică și consum de apă mai redus pe durata sa de viață decât toate celelalte tehnologii solare.

Cu toate acestea, dezavantajele celulelor solare cu strat subțire în forma lor actuală sunt numeroase. Cadmiul din celulele CdTe este foarte toxic dacă este inhalat sau ingerat și poate ajunge în sol sau în sursa de apă dacă nu este manipulat corespunzător în timpul eliminării. Acest lucru ar putea fi evitat dacă panourile sunt reciclate, dar tehnologia nu este în prezent atât de larg disponibilă pe cât ar trebui să fie. Utilizarea metalelor rare, cum ar fi cele găsite în CIGS, CdTe și GaAs, poate fi, de asemenea, un factor costisitor și potențial limitativ în producția unor cantități mari de celule solare cu strat subțire.

Alte tipuri

Varietatea panourilor solare este mult mai mare decât cea existentă în prezent pe piața comercială. Multe tipuri noi de tehnologie solară sunt în curs de dezvoltare, iar tipurile mai vechi sunt studiate pentru posibile creșteri ale eficienței și reduceri ale costurilor. Câteva dintre aceste tehnologii emergente se află în faza pilot de testare, în timp ce altele rămân dovedite doar în condiții de laborator. Iată câteva dintre celelalte tipuri de panouri solare care au fost dezvoltate.

Panouri solare bifaciale

Panourile solare tradiționale au celule solare doar pe o parte a panoului. Panourile solare bifaciale au celule solare construite pe ambele părți pentru a le permite să colecteze nu numai lumina solară directă, ci și albedo-ul, sau lumina reflectată de la solul de sub ele. De asemenea, se mișcă odată cu soarele pentru a maximiza timpul în care lumina solară poate fi colectată pe ambele părți ale panoului. Un studiu al Laboratorului Național pentru Energie Regenerabilă a arătat o creștere de 9% a eficienței față de panourile cu o singură față.

Tehnologia fotovoltaică cu concentrator

Tehnologia fotovoltaică cu concentrator (CPV) folosește echipamente și tehnici optice, cum ar fi oglinzile curbate, pentru a concentra energia solară într-un mod eficient din punct de vedere al costurilor. Deoarece aceste panouri concentrează lumina solară, nu au nevoie de atât de multe celule solare pentru a produce aceeași cantitate de electricitate. Acest lucru înseamnă că aceste panouri solare pot utiliza celule solare de calitate superioară la un cost total mai mic.

Sisteme fotovoltaice organice

Celulele fotovoltaice organice utilizează molecule organice mici sau straturi de polimeri organici pentru a conduce electricitatea. Aceste celule sunt ușoare, flexibile și au un cost total și un impact asupra mediului mai mici decât multe alte tipuri de celule solare.

Celule perovskit

Structura cristalină a materialului colector de lumină, specifică perovskitului, dă numele acestor celule. Acestea sunt ieftine, ușor de fabricat și au o absorbție ridicată. În prezent, sunt prea instabile pentru utilizare pe scară largă.

Celule solare sensibilizate cu colorant (DSSC)

Aceste celule cu strat subțire, cu cinci straturi, folosesc un colorant special de sensibilizare pentru a ajuta fluxul de electroni care creează curentul necesar producerii de electricitate. Celulele DSSC au avantajul de a funcționa în condiții de lumină slabă și de a crește eficiența pe măsură ce temperaturile cresc, dar unele dintre substanțele chimice pe care le conțin vor îngheța la temperaturi scăzute, ceea ce face unitatea inoperabilă în astfel de situații.

Puncte cuantice

Această tehnologie a fost testată doar în laboratoare, dar a demonstrat mai multe atribute pozitive. Celulele cu puncte cuantice sunt fabricate din diferite metale și funcționează la scară nano, astfel încât raportul producție de energie/greutate este foarte bun. Din păcate, pot fi, de asemenea, foarte toxice pentru oameni și mediu dacă nu sunt manipulate și eliminate corespunzător.