Затраты на преобразование солнечного света в электричество упали более чем на 90 процентов за последнее десятилетие. Солнечная энергия в настоящее время является самой дешевой формой недавно построенного производства энергии.
Дело сделано? Не совсем. Прямо сейчас солнечная энергия хорошо работает по конкурентоспособным ценам и может помочь нам значительно сократить выбросы. Но поскольку солнечная энергия вырабатывает менее пяти процентов электроэнергии в мире, мы только в начале пути.
Солнечные батареи 2022 года похожи на массивные мобильные телефоны 1990-х годов. Используя ту же базовую технологию, возможно гораздо больше.
Австралия, вероятно, сыграет ключевую роль в глобальном прогрессе. На протяжении десятилетий мы были в авангарде разработки и внедрения солнечных технологий. Мы удерживаем рекорд производительности кремниевых солнечных элементов в течение 30 из последних 40 лет. Сейчас у нас больше солнечной энергии на душу населения, чем в любой другой стране ОЭСР, что обеспечивает почти 15 процентов наших потребностей в электроэнергии. Более 80 процентов новых солнечных панелей в мире основаны на ячейке PERC, технологии, разработанной в Австралии.
Так что же ждет солнечную энергию дальше? Сотни исследователей по всей Австралии сосредоточены на двух целях: еще больше сократить расходы и получить максимально возможное количество электроэнергии из падающего солнечного света.
Почему солнечная энергия нуждается в улучшении?
Солнечная энергия может изменить нашу промышленность, транспорт и наш образ жизни, если мы продвинем технологию настолько далеко, насколько это возможно.
Сверхдешевая электроэнергия открывает огромные возможности: от превращения воды в зеленый водород для хранения энергии или использования в промышленных процессах до электрификации транспорта, энергетических систем и всего остального, для чего мы используем ископаемое топливо.
В прошлом году австралийское агентство по возобновляемым источникам энергии изложило свое видение сверхдешевой солнечной энергии. Цель амбициозная, но достижимая.
К 2030 году агентство хочет, чтобы коммерческие солнечные батареи достигли эффективности 30 процентов, по сравнению с 22 процентами сегодня. Он хочет, чтобы стоимость крупномасштабных систем (панели, инверторы и передача) снизилась на 50 процентов до 30 центов за ватт.
Это потребует интенсивных исследований. Более 250 австралийских исследователей работают над достижением этих целей в Австралийском центре передовой фотоэлектрической энергетики, созданном совместно шестью университетами и CSIRO.
Может ли кремний продолжать давать?
Солнечные элементы преобразуют солнечный свет в электричество без движущихся частей. Когда солнечный свет попадает на кремний - материал, обычно используемый в солнечных батареях, - его энергия высвобождает электрон, способный двигаться внутри материала, точно так же, как электроны движутся в проводах или батареях.
Солнечные панели на вашей крыше, вероятно, начинались как песок пустыни, расплавлялись до кремнезема, перерабатывались в кремний и снова очищались до формы 99.999-процентный поликремний. На протяжении десятилетий этот универсальный материал был в основе успеха солнечной энергетики. Важно отметить, что он масштабируемый - от размера булавочной головки до массивов, покрывающих квадратные километры.
Но чтобы получить абсолютный максимум от солнечного света, падающего на эти панели, нам нужно выйти за рамки кремния. Мы не можем достичь 30-процентной эффективности, используя только кремний.
Встречайте тандемную ячейку - солнечный бутерброд. Поскольку кремний может поглощать максимум 34 процента видимого света, исследователи сосредоточены на добавлении слоев других материалов для улавливания света с различной длиной волны.
Перовскиты - один из вариантов. На это семейство материалов можно наносить печать или наносить покрытие из жидкого источника, что делает их дешевыми в обработке. Когда мы накладываем этот материал на кремний, мы видим значительный скачок в эффективности солнечных элементов.
Несмотря на то, что это многообещающе, все еще есть проблемы, которые нужно сгладить - в частности, обеспечение того, чтобы перовскиты могли служить 20 с лишним лет, которые мы привыкли ожидать от кремниевых панелей.
Исследователи также изучают другие материалы, такие как полимеры и халькогениды, группу распространенных минералов, включая сульфиды, которые показали себя перспективными в тонких, гибких солнечных элементах.
Любой новый материал должен не только хорошо преобразовывать солнечный свет в электроны, но и быть в изобилии в земной коре, доступным по низкой цене и достаточно стабильным, чтобы обеспечить длительный срок службы. Халькогениды, например, состоят из обычных элементов, таких как медь, олово, цинк и сера.
Если мы сможем достичь 30-процентной эффективности, это принесет огромные дивиденды. Затраты на создание большой солнечной фермы будут сокращены. С более эффективными солнечными батареями вам нужно меньше панелей и меньше земли для той же выходной мощности.
Это также сделало бы ископаемое топливо еще менее конкурентоспособным. Электростанции, работающие на угле, и автомобильные двигатели имеют КПД около 33-35 процентов, а это означает, что большая часть энергии, содержащейся в ископаемом топливе, фактически теряется в виде тепла и шума. Вы также должны платить за постоянную поставку топлива. Солнечные и ветровые установки станут бесплатными после того, как вы установите электростанцию.
Как мы можем еще больше сократить расходы?
В настоящее время стоимость электроэнергии от новых солнечных батарей в Австралии составляет 50 австралийских долларов за мегаватт-час. (Черный уголь стоит около 100 долларов за мегаватт-час.) Это согласно оценке затрат на энергию CSIRO на 2021-2022 годы.
К 2030 году наше агентство по возобновляемым источникам энергии хочет сократить эту сумму до 15 долларов за МВтч, или 1,5 цента за киловатт-час. Солнечная энергия по такой цене - в сочетании с хранением - обеспечит недорогое и надежное питание 24 часа в сутки, 7 дней в неделю.
Затраты будут снижаться по мере того, как мы повышаем эффективность солнечных элементов, поскольку модули служат дольше, а также по мере того, как мы придумываем более рентабельные способы производства и развертывания солнечных технологий.
Сверхдешевая солнечная электроэнергия будет революционной, позволяя Австралии создавать новые возможности в существующих и развивающихся отраслях, таких как превращение водорода и аммиака в источники топлива, экологичная обработка стали и алюминия и даже обработка самого кремния, поэтому мы можем производить больше солнечных батарей.
Даже с современными технологиями ожидается, что спрос на солнечную энергию удвоится и еще раз удвоится в следующие десять лет. Это означает, что также необходимо будет выяснить, как солнечная промышленность может устойчиво развиваться - и как утилизировать солнечные панели, поскольку первые солнечные панели подходят к концу своего полезного срока службы и нуждаются в обновлении..
Австралийские инновации положили начало солнечному буму. По мере усиления климатических изменений и роста потребности в чистой энергии местного производства залитая солнцем страна может снова помочь ускорить переход мира от ископаемого топлива.
Автор: Ренате Иган, профессор, руководитель Университета Южного Уэльса, Австралийский центр передовой фотогальваники, Университет Южного Уэльса, Сидней
Эта статья переиздана из The Conversation под лицензией Creative Commons. Оригинал статьи читайте здесь.