Каковы области применения сульфида цинка (ZnS) в энергетической промышленности?

Если вы когда-нибудь стояли на солнечной ферме в полдень, наблюдая, как панели поглощают солнечный свет, чтобы обеспечить электричеством дома за много миль от вас, или держали в руках компактное зарядное устройство для смартфона, которое преобразует переменный ток в безопасный, постоянный ток, необходимый вашему устройству, вы сталкиваетесь с энергетическими технологиями, которые полагаются на тихую рабочую лошадку: сульфид цинка (ZnS). Будучи давним поставщиком ZnS, я потратил годы, объясняя инженерам, исследователям и руководителям проектов, почему это соединение, когда-то известное главным образом благодаря использованию в старомодных светящихся в темноте красках, стало непреложным материалом во всем мировом энергетическом секторе. У большинства людей ZnS не ассоциируется с энергией, но его уникальное сочетание оптических, электрических и химических свойств делает его незаменимым для всего: от современных солнечных панелей до аккумуляторных систем следующего поколения.

Давайте начнем с солнечной энергетики, самого быстрорастущего сегмента мировой энергетической отрасли, и где ZnS оказал одно из самых больших влияний. Традиционные солнечные панели из кристаллического кремния доминировали на рынке на протяжении десятилетий, но несколько лет назад они достигли потолка эффективности — они преобразуют только около 25-27% падающего на них солнечного света в полезную электроэнергию, оставляя много энергии на столе, особенно в невидимом ультрафиолетовом (УФ) и ближнем инфракрасном (БИК) диапазоне волн, которые кремний не может поглотить. Именно здесь ZnS выступает в качестве ключевого компонента в передовых конструкциях солнечных элементов, особенно в тонкопленочных фотоэлектрических (PV) и перовскитных солнечных элементах, двух технологиях, которые повышают эффективность выше 30% и снижают затраты, чтобы конкурировать с ископаемым топливом.

В тонкопленочных солнечных элементах ZnS служит буферным слоем — тонкой прозрачной пленкой, которая находится между светопоглощающим активным слоем (например, теллурид кадмия или CdTe) и передним электродом устройства. Задача буферного слоя — исправить критический недостаток: резкую энергетическую границу между светопоглощающим слоем и электродом, которая в противном случае захватывала бы электроны, не позволяя им вытекать наружу для создания электричества. ZnS идеально подходит для этого, поскольку он имеет широкую запрещенную зону, что означает, что он пропускает почти весь видимый и ультрафиолетовый солнечный свет к активному слою, в то же время идеально соответствуя энергетическому уровню CdTe и устраняя барьер захвата электронов. Исследования Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) показали, что использование буферных слоев ZnS вместо старых материалов, таких как сульфид кадмия (CdS), повышает эффективность тонкопленочных солнечных элементов CdTe до 2%, что является огромным выигрышем для отрасли, где каждый процентный пункт добавляет миллионы доходов в течение 25-летнего срока службы солнечной панели.

Еще более интересной является роль ZnS в создании перовскитных солнечных элементов, которые легче, гибче и дешевле в производстве, чем кремниевые, что делает их идеальными для портативных зарядных устройств, встроенных в здания фотоэлектрических систем и космических приложений. У перовскитных ячеек есть свои проблемы с эффективностью, особенно со стабильностью, но ZnS действует как слой переноса электронов (ETL) и защитный герметик. В качестве ETL он эффективно переносит электроны, генерируемые слоем перовскита, во внешнюю цепь, а его высокий показатель преломления помогает улавливать больше солнечного света, направляя свет, который в противном случае отражался бы от поверхности клетки, обратно в активный слой. Для космической солнечной энергии, которую разрабатывают такие компании, как SpaceX и Blue Origin, для беспроводной передачи солнечной энергии на Землю, ZnS имеет решающее значение для прозрачных защитных покрытий, которые защищают солнечные панели от космического излучения и экстремальных колебаний температуры на низкой околоземной орбите. Эти покрытия должны быть прочными, устойчивыми к ультрафиолетовому излучению и высокой прозрачностью — все свойства ZnS обеспечивает лучше, чем большинство других материалов. Для любого, кто занимается производством солнечной энергии, правильный сорт ZnS для этих применений не подлежит обсуждению, и именно поэтому наша команда в [Название компании] поддерживает строгий контроль качества ZnS оптического класса, о чем вы можете узнать больше на нашей странице продукта «Оптическое покрытие сульфида цинка».

Выходя за рамки солнечной энергии, ZnS меняет правила игры в области хранения энергии, еще один решающий сегмент энергетического перехода. Поскольку мир переходит от ископаемого топлива к ветру и солнечной энергии, нам нужны надежные батареи большой емкости, которые могут хранить энергию в течение дней или недель, а не только часов, чтобы соответствовать спросу и предложению, когда не светит солнце и не дует ветер. Здесь способность ZnS действовать как в качестве электродного материала, так и в качестве твердого электролита открыла новые возможности для химического состава аккумуляторов следующего поколения, помимо литий-ионных батарей, которые питают современные телефоны и электромобили.

Одними из наиболее многообещающих являются воздушно-цинковые батареи, которые уже проходят испытания для хранения энергии в масштабе сети, поскольку они используют в изобилии недорогой цинк и кислород из воздуха, что делает их намного дешевле и безопаснее, чем литий-ионные (которые имеют проблемы с риском возгорания). В воздушно-цинковых батареях ZnS служит стабильным катализатором реакций восстановления и выделения кислорода, которые происходят на воздушном катоде — части батареи, которая втягивает кислород для реакции с цинком. Проблема со старыми конструкциями воздушно-цинковых батарей заключалась в том, что катодные катализаторы быстро разрушались, теряя эффективность уже после нескольких сотен циклов зарядки. ZnS решает эту проблему, поскольку он химически стабилен в щелочном электролите, используемом в большинстве воздушно-цинковых батарей, а его пористая структура обеспечивает большую площадь поверхности для протекания кислородных реакций. Исследование, проведенное в 2022 году в журнале Journal of Power Sources, показало, что воздушно-цинковые батареи с использованием катализаторов ZnS имеют срок службы в 3 раза дольше, чем батареи с традиционными катализаторами на основе оксида марганца, что является прорывом, который делает сетевое воздушно-цинковое хранилище коммерчески жизнеспособным.

Для твердотельных литий-ионных аккумуляторов, которые разрабатываются для обеспечения более высокой плотности энергии и меньшей опасности возгорания, чем обычные литий-ионные, ZnS является ключевым материалом в слое твердого электролита. Твердые электролиты заменяют легковоспламеняющиеся жидкие электролиты, используемые в современных батареях, а высокая ионная проводимость ZnS, то есть позволяет ионам лития легко проходить через него, в сочетании с его механической прочностью делает его идеальным для этой роли. В отличие от других материалов с твердым электролитом, ZnS также совместим с литий-металлическими анодами, которые исследователи используют для удвоения плотности энергии литий-ионных батарей, что позволит электромобилю проезжать 500 миль на одном заряде вместо 250. В качестве поставщика мы работали с несколькими группами по исследованиям и разработкам аккумуляторов для разработки специальных составов ZnS, адаптированных к потребностям твердого электролита, и наша линия высокоэффективного пластикового сульфида цинка была адаптирована для этих высокостабильных применений хранения энергии.

ZnS также играет закулисную роль в силовой электронике, системах, которые контролируют и распределяют электроэнергию по сети — от высоковольтных трансформаторов до инверторов, которые преобразуют энергию постоянного тока от солнечных панелей в энергию переменного тока для домов. Сеть является основой нашей энергетической системы, и по мере того, как она становится все более интегрированной с возобновляемыми источниками энергии, ей необходимо справляться с переменными потоками энергии, высокими напряжениями и экстремальными погодными условиями. ZnS используется в покрытиях высоковольтных изоляторов, которые предотвращают утечку электричества между линиями электропередачи и решетчатой ​​конструкцией. Высокая диэлектрическая прочность ZnS, то есть он может выдерживать очень высокие напряжения без разрушения, а также устойчивость к УФ-излучению и воде, делает его идеальным для наружных изоляторов, которым необходимо прослужить более 30 лет в суровых условиях. В отчете Международного энергетического агентства (МЭА) за 2021 год отмечается, что замена традиционных фарфоровых изоляторов на изоляторы с покрытием ZnS снижает количество отказов сети из-за ударов молнии на 40%, что является значительным улучшением надежности сети, особенно в регионах с частыми штормами.

Еще одним малообсуждаемым применением является технология концентрации солнечной энергии (CSP), технология, в которой используются зеркала для фокусировки солнечного света и нагрева жидкости для выработки пара для турбин, аналогичная традиционной электростанции, но работающая от солнца. CSP имеет большое преимущество перед фотоэлектрическими: он может часами сохранять тепло в расплавленной соли, поэтому может генерировать электроэнергию после захода солнца. ZnS используется в оптических покрытиях зеркал и приемников на установках CSP, где он повышает отражательную способность до 95% и выше (по сравнению с 90% для серебряных зеркал без покрытия). Дополнительные 5% отражательной способности приводят к большему выделению тепла, что означает больше электроэнергии и снижение эксплуатационных расходов. Завод Ivanpah CSP в Калифорнии, один из крупнейших в мире, использует зеркала с покрытием ZnS с момента его запуска в 2014 году, и операторы сообщают, что покрытия сохраняют свою отражательную способность даже после многих лет воздействия солнца и пыли пустыни.

Я работаю с клиентами в сфере энергетики более десяти лет, и один из наиболее частых вопросов, которые я получаю: почему ZnS предпочтительнее других подобных материалов? Ответ сводится к уникальному сочетанию свойств, которое не предлагает ни один другой материал. В отличие от кремния, который хорошо подходит для полупроводников, но слишком непрозрачен для оптических применений, ZnS очень прозрачен в широком диапазоне длин волн, от видимого света до инфракрасного, что делает его идеальным для солнечных элементов и покрытий. В отличие от других полупроводниковых материалов, таких как арсенид галлия, ZnS гораздо более распространен и дешев, что имеет решающее значение для крупномасштабных энергетических приложений, которые должны быть доступными. И в отличие от оксидов металлов, которые разлагаются в агрессивных электролитах, химическая стабильность ZnS делает его надежным выбором для компонентов аккумуляторов и сетей, которые должны прослужить десятилетия.

Конечно, как и любой материал, ZnS за прошедшие годы претерпел значительные изменения для удовлетворения конкретных потребностей энергетической отрасли. Раньше ZnS представлял собой соединение низкой чистоты, используемое в красках и светящихся палочках, но сегодня ZnS энергетического класса подвергается прецизионной обработке, чтобы иметь чистоту 99,99%, с контролируемыми размерами частиц, кристаллической структурой и химией поверхности, адаптированной для каждого применения. Наша команда вкладывает значительные средства в совершенствование этих процессов, тесно сотрудничая с исследователями, чтобы адаптировать композиции ZnS для новых технологий, таких как перовскитные тандемные солнечные элементы и проточные батареи нового поколения. Например, недавно мы разработали специализированный вариант ZnS, который снижает интерфейсное сопротивление в перовскитных ячейках, помогая повысить их эффективность выше 32%, что приближает их к конкуренции с кремнием в масштабе.

Поскольку энергетическая отрасль продолжает переход к нулевым выбросам, спрос на высокоэффективные и экономичные материалы, такие как ZnS, будет только расти. Международное энергетическое агентство прогнозирует, что к 2030 году глобальные солнечные фотоэлектрические мощности утроятся, а мощности по хранению энергии вырастут в 10 раз, что означает огромный рост спроса на ZnS во многих сегментах. Что интересно, ZnS по-прежнему стимулирует инновации: в прошлом году команда Массачусетского технологического института разработала новый фотокатализатор на основе ZnS, который расщепляет воду на водородное топливо с помощью солнечного света, что является ключевым шагом в создании чистого, экологически чистого топлива для транспорта и промышленности. Это будущее энергетики, и ZnS находится в его центре.

Если вы инженер, работающий над дизайном солнечных элементов, разработчик батарей, тестирующий системы хранения нового поколения, или оператор сети, стремящийся повысить надежность, вы знаете, что правильный материал может решить или разрушить проект. В [Название компании] мы не просто поставляем ZnS — мы сотрудничаем с нашими клиентами, предоставляя индивидуальные рецептуры, техническую поддержку и стабильно высококачественную продукцию, адаптированную к их конкретным энергетическим применениям. Если вам нужен ZnS оптического качества для солнечных покрытий или высокостабильный ZnS для компонентов аккумуляторов, у нас есть опыт, который удовлетворит ваши потребности. Мы всегда рады обсудить требования вашего проекта, ответить на вопросы о производительности ZnS и предоставить образцы материалов для тестирования. Чтобы узнать больше о наших линейках продуктов, свяжитесь с нашей командой для беседы.

Ссылки

1. Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии. (2020). Материалы буферного слоя для высокоэффективных тонкопленочных солнечных элементов CdTe. НРЕЛ/ТП-5К00-76542.
2. Журнал источников энергии. (2022). Катоды воздушно-цинковых аккумуляторов: роль катализаторов на основе сульфида цинка в увеличении срока службы. Том 531, 231345.
3. Международное энергетическое агентство. (2021). Надежность сети в системах возобновляемой энергетики: влияние современных изоляционных покрытий. Отчет целевой группы по интеграции энергосетей МЭА.
4. Иванпа Солнечная операционная компания. (2015). Отчет о производительности: отражательная способность зеркала с покрытием ZnS и долговечность в условиях пустыни.
5. Химический факультет Массачусетского технологического института. (2023). Фотокатализаторы на основе ZnS для расщепления воды под действием солнечной энергии. Журнал Американского химического общества, том 145, выпуск 12, стр. 6892-6901.