Как изготавливаются солнечные панели?

В США только что был реализован новый солнечный проект.

Установите таймер на 60 секунд и подождите. Может быть, выйдите на улицу и понежьтесь на солнце.

Зинг! — только что был установлен еще один солнечный проект.

Солнечная промышленность светит солнцем; цифры впечатляют. По данным Ассоциации производителей солнечной энергии (SEIA), сегодня в США имеется достаточно солнечной мощности, чтобы обеспечить энергией 23 миллиона домов. Это 126 гигаватт (ГВт), поступающих от миллионов солнечных систем по всей стране.

В 2021 году солнечная промышленность США оценивалась в 33 миллиарда долларов, в ней работало более 230 000 человек, а энергетические мощности продолжали расти в среднем на 33 процента в год.

Солнечные панели произвели почти 4 процента электроэнергии в США в 2021 году по сравнению с менее чем 1 процентом в 2015 году. В некоторых местах эта цифра намного выше; например, в 2021 году 17% электроэнергии в Калифорнии было произведено за счет солнечной энергии. Почти половина всех новых энергетических мощностей, добавленных в энергосистему США в 2021 году, была получена за счет солнечной энергии. Еще более обнадеживает то, что к 2030 году солнечная промышленность планирует производить почти треть электроэнергии в США.

Учитывая, что на ближайшие годы запланировано так много солнечных панелей, у вас может возникнуть вопрос: что же такое солнечные панели и как они производятся?

Существует два типа солнечной технологии для производства электроэнергии. Наиболее распространенными являются фотоэлектрические (PV) панели или модули, которые используют солнечный свет для производства электроэнергии. Другая технология, концентрирующая солнечную энергию (CSP), вместо этого использует солнечное тепло.

Самый распространенный тип фотоэлектрических панелей изготовлен из кристаллического кремния (c-SI). По данным Министерства энергетики США, на эту технологию приходится 84% солнечных панелей в США. Другие типы включают теллурид кадмия, панели из (ди)селенида меди, индия, галлия и тонкопленочный аморфный кремний. Поскольку панели c-SI составляют большую часть рынка США и мира, в этом блоге я сосредоточусь на них.

Создание солнечной панели из кристаллического кремния немного похоже на строительство замка из песка, потому что кремний получается из песка! Пляжный песок — это диоксид кремния, он же кремнезем. (Если пляжный патруль поместит это на предупреждающий знак, держу пари, что никто не ступит на пляж!). Кремний в виде песка и гравия из диоксида кремния является вторым по распространенности элементом на Земле после кислорода.

Прежде чем использовать диоксид кремния в солнечной панели, его необходимо превратить в чистый «кремний металлургического качества» (MGS). Этот процесс требует много энергии: для производства 1 килограмма кремния металлургического качества требуется 14–16 кВтч электроэнергии, что примерно эквивалентно использованию домашней духовки в течение семи часов. Тем не менее, за время своего существования солнечные панели выделяют в 25 раз меньше эквивалента углекислого газа на киловатт-час, чем электричество, работающее на угле.

Химическая перемена! Рецепт приготовления кремния металлургического качества:

Добавьте 1 часть диоксида кремния (гравия) и 2 части углерода (полученного из угля, древесного угля или древесной щепы) в электродуговую печь.

Доведите температуру до 2200 градусов по Цельсию (это треть температуры Солнца!!)

Та-да! У вас остается 99% чистого кремния и монооксида углерода (это из добавленного нами углерода, связанного с кислородом, который мы удалили из диоксида кремния).

Но солнечные панели — перфекционисты; они требуют, чтобы кремний был близок к 100% чистоте. Чтобы достичь этого, нам необходимо превратить кремний в еще более чистый металлический поликремний, используя процесс, в котором используются соляная кислота и газообразный водород. (Забавный факт: около 12% мирового производства кремния в настоящее время перерабатывается в поликремний для солнечных панелей.)

После добавления кислоты и газа у нас остаются куски металлического поликремния, которые обычно снова плавят в цилиндрической форме длиной примерно 5 метров. Бор добавляется, чтобы придать металлу положительный электрический заряд с одной стороны. Горячий расплавленный кремний охлаждается и образует монокристаллическую («монокристаллическую») структуру в виде цилиндрического слитка. Слитки — это любой материал, отлитый в прямоугольной форме, например золотые слитки.

(Другой процесс используется для изготовления «поликристаллических» кремниевых пластин, в которых образуется несколько кристаллов. Этот процесс обычно приводит к получению менее эффективных панелей, но может снизить стоимость пластин.)