věda ve zprávách

Emily Kerr
čísla Abagail Burrus

slunce vydává dostatek energie na Zemi každou sekundu, aby uspokojilo celou lidskou energetickou poptávku po více než dvě hodiny. Vzhledem k tomu, že je snadno dostupná a obnovitelná, je solární energie atraktivním zdrojem energie. Od roku 2018 však méně než dvě procenta světové energie pocházelo ze slunce. Historicky byla sklizeň sluneční energie nákladná a relativně neefektivní. I toto skromné využití slunečního záření je však zlepšením v předchozích dvou desetiletích, protože množství energie odebrané ze sluneční energie na celém světě se od roku 2000 do roku 2019 zvýšilo více než 300krát. Nové technologické pokroky za posledních dvacet let vedly k tomu, že se zvýšila závislost na solární energii snížením nákladů, a nový technologický vývoj slibuje, že toto využití solární energie rozšíří dalším snižováním nákladů a zvyšováním účinnosti solárních panelů.

Solární Články: Náklady, výzvy a Design

za posledních 20 let se náklady spojené se solárními články, strukturami schopnými přeměnit světelnou energii na elektřinu, neustále snižují. Národní laboratoř obnovitelné energie, Americká vládní laboratoř, která studuje technologii solárních článků, odhaduje přispěvatele ke zvýšení cenové dostupnosti solární energie. Odhadují, že tvrdé náklady, náklady na hardware fyzických solárních článků a měkké náklady, které zahrnují práci nebo náklady na získání požadovaných vládních povolení, jsou přibližně stejné (Obrázek 1). Měkké náklady se snížily, protože existuje více potenciálních spotřebitelů a více odborníků na instalaci nových solárních článků, takže společnosti mohou vyrábět solární články ve velkém a snadno je instalovat. Tvrdé náklady jsou méně než polovina toho, co byly v roce 2000, většinou kvůli klesajícím materiálovým nákladům a zvýšené schopnosti buněk zachytit světlo. Inženýrství nákladově efektivnějších a účinnějších solárních článků vyžaduje kromě inovativního designu pečlivé zvážení fyziky zapojené do solárního zachycení.

protože solární články se používají k přeměně světla na elektřinu, musí být složeny z nějakého materiálu, který je dobrý v zachycení energie ze světla. Tento materiál může být vložen mezi dvě kovové desky, které přenášejí elektřinu zachycenou ze světelné energie tam, kde je to potřeba, jako světla domu nebo stroje továrny (Obrázek 2). Výběr správného materiálu pro zachycení světla zahrnuje měření rozdílu mezi dvěma energetickými úrovněmi nazývanými valenční pásmo a vodivé pásmo. Valenční pásmo s nižší energií je naplněno mnoha malými záporně nabitými částicemi zvanými elektrony, ale pásmo s vyšší energií je většinou prázdné. Když jsou elektrony zasaženy částicemi světla, nazývanými fotony, mohou absorbovat dostatek energie, aby skočily z nízkoenergetického vodivého pásma do vysokoenergetického valenčního pásma. Jakmile je ve valenčním pásmu, může být extra energie v elektronu sklizena jako elektřina. Je to, jako by elektrony seděly na dně kopce (vodivé pásmo) a byly zasaženy fotonem, který jim dává energii, aby skočili na vrchol (valance band).

množství energie potřebné pro skok elektronů do valenčního pásma závisí na typu materiálu. V podstatě, velikost metaforického kopce se liší v závislosti na vlastnostech daného materiálu. Velikost této energetické mezery je důležitá, protože ovlivňuje, jak efektivně solární články přeměňují světlo na elektřinu. Konkrétně, pokud fotony zasáhnou elektrony s menší energií, než potřebuje elektron, aby skočil z valenčního pásma do vodivého pásma, žádná energie světla není zachycena. Alternativně, pokud má světlo více energie, než je potřeba k překonání této mezery, pak elektron zachycuje přesnou energii, kterou potřebuje, a zbytek plýtvá. Oba tyto scénáře vedou k neefektivnosti při sklizni slunečního záření, takže výběr materiálu solárních článků je důležitý.

historicky byl křemík nejoblíbenějším materiálem pro solární články (Obrázek 2). Jedním z důvodů této popularity je velikost mezery mezi vodivými a valenčními pásy křemíku, protože energie většiny světelných částic je velmi blízká energii potřebné křemíkovými elektrony ke skoku energetické mezery. Teoreticky by asi 32% světelné energie mohlo být přeměněno na elektrickou energii pomocí křemíkového solárního článku. To se nemusí zdát jako hodně, ale je výrazně účinnější než většina ostatních materiálů. Kromě toho je křemík také levný. Je to jeden z nejhojnějších prvků na zemi a náklady na jeho rafinaci se od roku 1980 dramaticky snížily. Odvětví solárních článků a elektroniky vedlo ke snížení nákladů na čištění, protože se naučilo lepší techniky hromadného čištění, které poháněly poptávku po solárních článcích a spotřební elektronice.

kromě snižování nákladů na materiál chytré technické triky tlačí účinnost křemíkových solárních článků blíže k jejich teoretickému maximu. Aby mohly být fotony přeměněny na energii, musí se nejprve srazit s elektronem. Jeden trik, jak zvýšit pravděpodobnost kolize foton / elektron zahrnuje vzorování křemíku v solárních článcích v mikroskopických pyramidových tvarech. Když je světlo absorbováno do pyramidy, cestuje dále, což zvyšuje pravděpodobnost, že se světlo srazí s elektrony v křemíku před únikem buňky.

v podobné taktice chemici a materiáloví vědci navrhli antireflexní povlaky, aby se na přední straně solárních článků zabránilo odrazu užitečného světla zpět do vesmíru, aniž by kdy zasáhlo elektron v solárním článku. Stejně tak umístění reflektoru na zadní stranu solárního článku také umožňuje sklizeň více světla. Světlo, které se dostane do solárního článku a dělá to celou cestu až dozadu, aniž by zasáhlo elektron, se odrazí na přední stranu buňky, dává buňce další šanci sbírat světlo.

v současné době se náklady na solární články na bázi křemíku stále snižují a navzdory předpovědím o opaku se náklady na samotný křemík stále snižují. Křemíkové solární články pravděpodobně zůstanou populární i v příštích několika letech. Byly vyvinuty alternativy k křemíkovým solárním článkům, ale nejsou dostatečně daleko, aby byly komerčně životaschopné.

budoucnost solárních článků

k překonání současných solárních článků by nový design musel být schopen zachytit více světla, efektivněji přeměnit světelnou energii na elektřinu a / nebo být levnější na stavbu než současné návrhy. Výrobci a spotřebitelé energie s větší pravděpodobností přijmou solární energii, pokud je energie, kterou vyrábí, stejně nebo méně nákladná než jiné, často neobnovitelné formy elektřiny, takže jakékoli zlepšení současných návrhů solárních článků musí snížit celkové náklady, aby se staly široce využívanými.

první možnost, přidání hardwaru, který umožňuje solárním článkům zachytit více světla, ve skutečnosti nevyžaduje, abychom opustili současné návrhy solárních článků. Elektronika může být instalována se solárním článkem, který umožňuje buňce sledovat slunce, jak se pohybuje přes denní oblohu. Pokud solární článek vždy směřuje na slunce, bude zasažen mnohem více fotony, než kdyby směřoval pouze ke slunci kolem poledne. V současné době je navrhování elektroniky, která dokáže přesně a důsledně sledovat polohu Slunce po několik desetiletí za rozumnou cenu, trvalou výzvou,ale inovace na této frontě pokračují. Alternativou k tomu, aby se solární článek sám pohyboval, je použití zrcadel k zaostření světla na menší, a proto levnější solární článek.

další cestou ke zlepšení výkonu solárních článků je zaměřit se na jejich účinnost, aby byly lepší při přeměně energie na sluneční světlo na elektřinu. Solární články s více než jednou vrstvou materiálu zachycujícího světlo mohou zachytit více fotonů než solární články pouze s jednou vrstvou. Nedávno, laboratorně testované solární články se čtyřmi vrstvami mohou zachytit 46% příchozí světelné energie, která je zasáhla. Tyto buňky jsou stále většinou příliš drahé a obtížné je vyrobit pro komerční použití,ale probíhající výzkum může jednoho dne umožnit implementaci těchto superefektivních buněk.

alternativou ke zlepšení účinnosti solárních článků je jednoduše snížení jejich nákladů. I když se zpracování křemíku v posledních několika desetiletích stalo levnějším, stále významně přispívá k nákladům na instalaci solárních článků. Použitím tenčích solárních článků se náklady na materiál snižují. Tyto “tenkovrstvé solární články” používají vrstvu materiálu ke sběru světelné energie, která je tlustá pouze 2 až 8 mikrometrů, pouze asi 1% toho, co se používá k výrobě tradičního solárního článku. Podobně jako buňky s více vrstvami jsou tenkovrstvé solární články trochu složité na výrobu, což omezuje jejich aplikaci, ale výzkum pokračuje.

v blízké budoucnosti budou křemíkové solární články pravděpodobně i nadále snižovat náklady a budou instalovány ve velkém počtu. Ve Spojených státech se očekává, že tyto snížení nákladů zvýší do roku 2050 vyrobenou sluneční energii nejméně o 700%. Mezitím bude pokračovat výzkum alternativních návrhů účinnějších a levnějších solárních článků. Za několik let se pravděpodobně na našich solárních farmách a střechách objeví alternativy křemíku, které pomáhají poskytovat čisté a obnovitelné zdroje energie. Tato zlepšení mají a budou i nadále umožněna zvýšením hromadné výroby solárních článků a nových technologií, díky nimž jsou články levnější a efektivnější.

Emily Kerrová, postgraduální studentka chemie a chemické biologie.

Abagail Burrus je doktorandkou třetího ročníku Organismické a evoluční biologie, která studuje vývoj elaiophore.

více informací:

• Chcete-li se dozvědět více o tenkých filmových solárních článcích, podívejte se na tento článek z MIT News
• další informace o klesajících nákladech na solární články naleznete v tomto článku z MIT News
• pro grafické zobrazení toho, jak solární panely fungují, podívejte se na tento článek o složení a vědě solárních panelů

tento článek je součástí naší série SITN20, napsané k oslavě 20. výročí SITN připomínáním nejvýznamnějších vědeckých pokroků z posledních dvou desetiletí . Podívejte se na naše další kousky SITN20!