Какви са приложенията на цинковия сулфид ZnS в енергийната индустрия?

Ако някога сте стояли в слънчева ферма по обяд, гледайки как панелите поглъщат слънчева светлина, за да захранват домове на километри разстояние, или сте държали компактно зарядно устройство за смартфон, което преобразува променлив ток в безопасен, постоянен ток, от който се нуждае вашето устройство, вие се натъквате на енергийни технологии, които разчитат на тих работен кон: цинков сулфид (ZnS). Като дългогодишен доставчик на ZnS, прекарах години, разхождайки инженери, изследователи и ръководители на проекти точно защо това съединение, някога известно главно с употребата си в старомодни светещи в тъмното бои, се превърна в материал, който не подлежи на обсъждане в глобалния енергиен сектор. Повечето хора не свързват ZnS с енергията, но неговата уникална комбинация от оптични, електрически и химични свойства го прави незаменим за всичко - от модерни слънчеви панели до батерийни системи от следващо поколение.

Нека започнем със слънчевата енергия, най-бързо развиващият се сегмент от световната енергийна индустрия и където ZnS има едно от най-големите си въздействия. Традиционните слънчеви панели от кристален силиций доминират на пазара от десетилетия, но достигнаха тавана на ефективността си преди няколко години – те преобразуват само около 25-27% от слънчевата светлина, която ги удря, в използваемо електричество, оставяйки много енергия на масата, особено в невидимите ултравиолетови (UV) и близките инфрачервени (NIR) дължини на вълните, които силицийът не може да абсорбира. Това е мястото, където ZnS се намесва като ключов компонент в усъвършенстваните дизайни на слънчеви клетки, особено тънкослойни фотоволтаици (PV) и перовскитни слънчеви клетки, две технологии, които повишават ефективността над 30% и намаляват разходите, за да се конкурират с изкопаемите горива.

В тънкослойните слънчеви клетки ZnS служи като буферен слой, тънък, прозрачен филм, който се намира между абсорбиращия светлина активен слой (като кадмиев телурид или CdTe) и предния електрод на устройството. Задачата на буферния слой е да поправи критичен недостатък: рязката енергийна граница между светлопоглъщащия слой и електрода, който иначе би уловил електрони, предотвратявайки изтичането им за създаване на електричество. ZnS е перфектен за това, защото има широка ширина на лентата, което означава, че позволява почти цялата видима и UV слънчева светлина да премине през активния слой, като същевременно съвпада идеално с енергийното ниво на CdTe, за да елиминира тази бариера за улавяне на електрони. Проучвания от Националната лаборатория за възобновяема енергия (NREL) показват, че използването на ZnS буферни слоеве вместо по-стари материали като кадмиев сулфид (CdS) повишава ефективността на тънкослойните CdTe слънчеви клетки с до 2%, огромна печалба за индустрия, в която всеки процентен пункт добавя милиони приходи през 25-годишния живот на слънчевия панел.

Още по-вълнуваща е ролята на ZnS в възникващите перовскитни слънчеви клетки, които са по-леки, по-гъвкави и по-евтини за производство от силиция, което ги прави идеални за преносими зарядни устройства, интегрирани в сгради фотоволтаични и космически приложения. Перовскитните клетки имат свои собствени предизвикателства за ефективност, особено по отношение на стабилността, но ZnS действа както като електронен транспортен слой (ETL), така и като защитен капсулант. Като ETL, той ефективно пренася електрони, генерирани от перовскитния слой, към външната верига, докато неговият висок индекс на пречупване помага за улавянето на повече слънчева светлина чрез насочване на светлина, която иначе би отскочила от повърхността на клетката обратно в активния слой. За космическата слънчева енергия, която се разработва от компании като SpaceX и Blue Origin за безжично излъчване на слънчева енергия към Земята, ZnS е от решаващо значение за прозрачните защитни покрития, които предпазват слънчевите панели от космическа радиация и екстремни температурни колебания в ниска земна орбита. Тези покрития трябва да бъдат издръжливи, устойчиви на ултравиолетови лъчи и силно прозрачни – всички свойства, които ZnS предоставя по-добре от повечето други материали. За всеки, който се занимава с производство на слънчева енергия, правилният клас ZnS за тези приложения не подлежи на обсъждане и затова нашият екип в [Име на компанията] поддържа строг качествен контрол за ZnS от оптичен клас, както можете да научите повече на нашата продуктова страница с цинков сулфид за оптично покритие.

Преминавайки отвъд слънчевата енергия, ZnS променя играта в съхранението на енергия, друг ключов сегмент от енергийния преход. Тъй като светът преминава от изкопаеми горива към вятър и слънце, имаме нужда от надеждни батерии с голям капацитет, които могат да съхраняват енергия за дни или седмици, а не само часове, за да отговарят на търсенето и предлагането, когато слънцето не грее и вятърът не духа. Тук способността на ZnS да действа както като електроден материал, така и като твърд електролит откри нови възможности за химията на батериите от следващо поколение, отвъд литиево-йонните батерии, които захранват днешните телефони и електрически превозни средства.

Едни от най-обещаващите са цинково-въздушните батерии, които вече се тестват за съхранение на енергия в мрежов мащаб, тъй като използват изобилен, евтин цинк и кислород от въздуха, което ги прави много по-евтини и по-безопасни от литиево-йонните (които имат проблеми с риска от пожар). В цинково-въздушните батерии ZnS служи като стабилен катализатор за реакциите на намаляване и отделяне на кислород, които се случват на въздушния катод, частта от батерията, която абсорбира кислород, за да реагира с цинка. Уловката с по-старите дизайни на цинково-въздушни батерии беше, че катодните катализатори се разграждат бързо, губейки ефективност само след няколкостотин цикъла на зареждане. ZnS решава това, тъй като е химически стабилен в алкалния електролит, използван в повечето цинково-въздушни батерии, а порестата му структура осигурява голяма повърхност за протичане на кислородните реакции. Проучване от 2022 г. в Journal of Power Sources установи, че цинково-въздушните батерии, използващи ZnS катализатори, имат цикъл на живот 3 пъти по-дълъг от тези, използващи традиционни катализатори от манганов оксид, пробив, който прави съхранението на цинк-въздух в решетка комерсиално жизнеспособно.

За твърдотелни литиево-йонни батерии, които се разработват, за да имат по-висока енергийна плътност и по-нисък риск от пожар от конвенционалните литиево-йонни, ZnS е ключов материал в слоя твърд електролит. Твърдите електролити заменят запалимия течен електролит, използван в днешните батерии, а високата йонна проводимост на ZnS – което означава, че позволява на литиевите йони да преминават лесно през него – съчетана с неговата механична якост, го прави идеален за тази роля. За разлика от други твърди електролитни материали, ZnS е съвместим и с литиево-металните аноди, които изследователите използват, за да удвоят енергийната плътност на литиево-йонните батерии, което би позволило на електрическа кола да измине 500 мили с едно зареждане вместо 250. Като доставчик, ние работихме с няколко екипа за научноизследователска и развойна дейност на батерии, за да разработим персонализирани състави на ZnS, съобразени с нуждите от твърд електролит, и нашата високоефективна пластмаса Линията цинков сулфид е адаптирана за тези високостабилни приложения за съхранение на енергия.

ZnS също играе роля зад кулисите в силовата електроника, системите, които контролират и разпределят електричеството в мрежата - от трансформатори за високо напрежение до инвертори, които превръщат постояннотоково захранване от слънчеви панели в променливотоково захранване за домовете. Мрежата е гръбнакът на нашата енергийна система и тъй като става все по-интегрирана с възобновяема енергия, тя трябва да се справя с променливи потоци на мощност, високи напрежения и екстремни климатични условия. ZnS се използва в покритията за изолатори за високо напрежение, които предотвратяват изтичането на електричество между електропроводите и мрежовата структура. Високата диелектрична якост на ZnS, което означава, че може да издържи на много високи напрежения, без да се повреди, плюс устойчивостта му на UV радиация и вода, го прави идеален за изолатори на открито, които трябва да издържат 30+ години в тежки условия. В доклад от 2021 г. на Международната агенция по енергетика (IEA) се отбелязва, че замяната на традиционните порцеланови изолатори с такива с покритие от ZnS намалява повредите на мрежата от мълнии с 40%, което е огромно подобрение за надеждността на мрежата, особено в региони с чести бури.

Друго слабо обсъждано приложение е в концентрирането на слънчева енергия (CSP), технология, която използва огледала за фокусиране на слънчевата светлина и загряване на течност за генериране на пара за турбини, подобно на традиционна електроцентрала, но захранвана от слънцето. CSP има голямо предимство пред PV: може да съхранява топлина в разтопена сол в продължение на часове, така че може да генерира енергия след залез слънце. ZnS се използва в оптичните покрития на огледалата и приемниците в заводите за CSP, където подобрява отразяващата способност до 95% или по-висока (в сравнение с 90% за непокрити сребърни огледала). Тези допълнителни 5% коефициент на отразяване означават повече генерирана топлина, което означава повече електричество и по-ниски експлоатационни разходи. Заводът Ivanpah CSP в Калифорния, един от най-големите в света, използва огледала с покритие от ZnS от пускането си през 2014 г. и операторите съобщават, че покритията са запазили отразяващата си способност дори след години на излагане на пустинно слънце и прах.

Работя с енергийни клиенти повече от десетилетие и един от най-честите въпроси, които получавам, е: защо ZnS пред други подобни материали? Отговорът се свежда до уникална комбинация от свойства, които никой друг материал не предлага. За разлика от силиция, който работи добре за полупроводници, но е твърде непрозрачен за оптични приложения, ZnS е силно прозрачен в широк диапазон от дължини на вълните, от видима светлина до инфрачервена светлина, което го прави идеален за слънчеви клетки и покрития. За разлика от други полупроводникови материали като галиев арсенид, ZnS е много по-изобилен и евтин, което е критично за широкомащабни енергийни приложения, които трябва да бъдат достъпни. И за разлика от металните оксиди, които се разграждат в тежки електролити, химическата стабилност на ZnS го прави надежден избор за батерии и мрежови компоненти, които трябва да издържат десетилетия.

Разбира се, като всеки материал, ZnS се е развил много през годините, за да отговори на специфичните нужди на енергийната индустрия. Ранният ZnS беше съединение с ниска чистота, използвано в бои и светещи пръчици, но днешният енергиен клас ZnS е прецизно обработен, за да има 99,99% чистота, с контролирани размери на частиците, кристални структури и повърхностна химия, съобразени с всяко приложение. Нашият екип инвестира сериозно в усъвършенстването на тези процеси, като работи в тясно сътрудничество с изследователи, за да адаптира съставите на ZnS за нововъзникващи технологии като перовскитни тандемни слънчеви клетки и проточни батерии от следващо поколение. Например, наскоро разработихме специализиран вариант на ZnS, който намалява съпротивлението на интерфейса в перовскитните клетки, като помага да се увеличи ефективността им над 32%, крайъгълен камък, който ги доближава до конкуренцията със силиция в мащаб.

Тъй като енергийната индустрия продължава да преминава към нулеви нетни емисии, търсенето на високопроизводителни, рентабилни материали като ZnS само ще нараства. Международната агенция по енергетика предвижда, че глобалният слънчев фотоволтаичен капацитет ще се утрои до 2030 г., а капацитетът за съхранение на енергия ще нарасне 10 пъти, което означава огромно увеличение на търсенето на ZnS в множество сегменти. Това, което е вълнуващо, е, че ZnS все още движи иновациите: миналата година екип от MIT разработи нов фотокатализатор, базиран на ZnS, който разделя водата във водородно гориво с помощта на слънчева светлина, ключова стъпка в създаването на чисто, устойчиво гориво за транспорта и индустрията. Това е бъдещето на енергията и ZnS е точно в центъра му.

Ако сте инженер, работещ върху дизайна на слънчеви клетки, разработчик на батерии, тестващ системи за съхранение от следващо поколение, или мрежов оператор, който иска да подобри надеждността, знаете, че правилният материал може да направи или провали проект. В [Име на компанията] ние не просто доставяме ZnS – ние си партнираме с нашите клиенти, за да предоставим персонализирани формули, техническа поддръжка и последователни, висококачествени продукти, съобразени с техните специфични енергийни приложения. Независимо дали имате нужда от оптичен ZnS за слънчеви покрития или ZnS с висока стабилност за компоненти на батерията, ние разполагаме с експертния опит, за да отговорим на вашите нужди. Винаги се радваме да обсъдим изискванията на вашия проект, да отговорим на въпроси относно производителността на ZnS и да предоставим примерни материали за тестване. За да научите повече за нашите продуктови линии, не се колебайте да се свържете с нашия екип за разговор.

Референции

1. Национална лаборатория за възобновяема енергия. (2020 г.). Материали за буферен слой за високоефективни CdTe тънкослойни слънчеви клетки. NREL/TP-5K00-76542.
2. Journal of Power Sources. (2022). Катоди на цинково-въздушни батерии: Ролята на катализаторите от цинков сулфид за удължен живот на цикъла. Том 531, 231345.
3. Международна енергийна агенция. (2021). Надеждност на мрежата в системи за възобновяема енергия: въздействието на усъвършенстваните изолационни покрития. Доклад на IEA Grid Task Force.
4. Ivanpah Solar Operating Company. (2015). Доклад за ефективността: отразяваща способност и издръжливост на огледало с ZnS покритие в пустинна среда.
5. Катедра по химия на MIT. (2023). Фотокатализатори на основата на ZnS за разделяне на вода, задвижвано от слънчева енергия. Вестник на Американското химическо дружество, том 145, брой 12, стр. 6892-6901.