Kako djeluju solarne ćelije?

Zapravo postoje samo dvije moguće krajnje točke za proizvodnju ljudske energije i obje su fuzija. Ili ovdje na Zemlji pronalazimo način za stvaranje malenih, kontroliranih fuzijskih reakcija (fuzijska snaga) ili pronalazimo način da korisno prikupimo dobar dio energije koja se već oslobađa iz ogromnog fuzijskog reaktora koji je naš Sunčev sustav izgradio (solarni vlast). Lijepa stvar kod solarne opcije je što se ona može postupno pojavljivati, pružajući nam djelomičnu korisnost dok se udaljavamo sve bliže prekretnici, kada bi mogla zadovoljiti većinu naših električnih potreba. Ali što je solarna ćelija, središnje važna komponenta solarne energije, i kako ona djeluje?

Sunčeva ćelija, koja se naziva i fotonaponska ćelija, definira se kao bilo koji uređaj koji može uhvatiti dio energije fotona svjetlosti i tu energiju prenijeti na uređaj ili medij za pohranu u obliku električne energije. Nisu sve solarne snage fotonaponske prirode, jer neke solarne tehnologije izravno prikupljaju toplinu apsorbiranih fotona, a ne njihovu energiju. Ipak, s takvom općenitom definicijom, pojam fotonaponski sustav obuhvaća širok spektar različitih tehnologija.



Solarne ploče koje se proizvode

Ljudi u odijelima za zečeve koji izrađuju solarne ploče.



Svima im je, međutim, zajedničko jedno: koriste energiju fotona da pobude elektrone u poluvodljivom materijalu stanice s neprovodljive razine energije na vodljivu. Ono što čini ovaj kompleks jest to što nisu svi fotoni jednaki. Svjetlost dolazi kao beskorisno spajanje valnih duljina i razina energije, a niti jedan poluvodljivi materijal nije u stanju pravilno ih apsorbirati. To znači da da bismo povećali učinkovitost hvatanja sunčevog zračenja, moramo napraviti hibridne ('višestruke spojeve') stanice koje koriste više od jednog upijajućeg materijala.

Svaki poluvodički materijal ima karakterističnu 'šupljinu' ili spektar elektronskih energija koje materijal jednostavno ne može održati. Ovaj jaz leži između pobuđenog i neuzbuđenog stanja elektrona. Elektron u stanju mirovanja ne može se uzbuditi u korisnost ako ne dobije dovoljno viška energije da skoči točno preko ovog zazora. Silicij ima lijep, ostvariv razmak u pojasu, koji se može premostiti dodatnom energijom vrijednom jednog fotona. To omogućuje siliciju da bude lijepo uključen (provodljiv) ili isključen (ne), kako je definirano položajem njegovih potencijalno provodljivih elektrona.



Materijal poput grafena mogao bi, u jednom smislu, biti daleko bolja osnova za fotonaponske ćelije od silicija zbog svoje nevjerojatne električne učinkovitosti i potencijala da se puno gušće spakira na same ploče - veliki se problem vraća na pojas i nesposobnost grafena da se pravilno uzbudi snagom dolaznog fotona. Neki složeni grafenski uređaji poput dvoslojnih dvoslojnih grafenskih tranzistora - ali problemi s stvarno proizvodnjom takvih uređaja nadoknađuju potencijalne dobitke, barem za sada.

SPS ALPHA, svemirski koncept solarne elektrane

Sunčevu energiju puno je lakše prikupiti u svemiru - ali tada je zapravo morate spustiti na površinu.

Stvarni napredak morat će pričekati pronalazak odgovarajuće pristupačnog super-materijala koji može pružiti koristan razmak u pojasu, a istovremeno pobijediti mehanička i elektronička svojstva silicija pošteno. Do tada su privremena rješenja uspjela uvelike povećati funkcionalne sposobnosti ploča na bazi silicija.



Antirefleksni premazi povećavaju ukupnu količinu apsorbirane svjetlosti, dok kemijski 'doping' samih tranzistora može poboljšati optičke sposobnosti silicija. Neke solarne postavke koriste polja zrcala kako bi koncentrirale što više sunčevog zračenja na samo nekoliko ćelija velikog kapaciteta u središtu. Mnogi su sada čak dizajnirani kao uređaji za hvatanje svjetlosti, pa se svjetlost koja ulazi odbija interno, zauvijek, sve dok se na kraju ne upije. Prošle jeseni istraživači sa Sveučilišta Michigan čak su razvili i potpuno prozirna solarna ćelija.

Toplina također može biti sve važniji dio solarnih postrojenja, jer će svako zračenje koje nije elektronički apsorbirano barem djelomično biti apsorbirano kao sirova toplina. Korištenje ove topline za kuhanje vode, ili čak izravno grijanje domova, moglo bi pomoći civilnoj solarnoj energiji da poboljša ukupnu učinkovitost, čak i dok električni super-materijali i dalje igraju sustizanje.

Čak i više koncepata vani, poput sunčeve energije utemeljene u svemiru, nude određeni potencijal hvatanjem svjetlosti prije nego što se filtrira kroz Zemljinu atmosferu; Japan, na primjer, želi stvoriti gigavat solarne energije u svemiru. Problem je u spuštanju snage na površinu, gdje bi mogla biti korisna ljudima. Japanska inicijativa nastoji u tu svrhu koristiti lasere, ali nema podataka hoće li se zaobilaženje atmosfere u cjelini pokazati pobjedničkom strategijom.

Solarne ćelije ometene su nekoliko desetljeća preuranjenih naslova najavljujući tako pobjedničku sveukupnu strategiju i nadolazeću dominaciju sunčeve energije. Stvarnost je takva da u tehnici gotovo sigurno nikada neće biti takvog trenutka eureke. Tehnologija solarnih ćelija bit će izmijenjena i nadograđivana sve dok ne prijeđe neki apstraktni prag zasnovan na pristupačnosti, stanju tehnologije skladištenja i prijenosa energije i lokalnoj godišnjoj razini sunčeve svjetlosti.

Sve vrste solarne energije bit će važne za svaki stvarni pokušaj širenja zelene energije na nacionalnoj razini. Ako fuzija ne napravi velike skokove naprijed ili klasična nuklearna energija postane puno popularnija, možete se kladiti da će solarna energija biti veliki dio naše energetske budućnosti.

Pogledajte našu seriju 2007es.com Explains za detaljnije izvještavanje.

Copyright © Sva Prava Pridržana | 2007es.com