tudomány a hírekben

Emily Kerr
Abagail Burrus adatai

a nap másodpercenként annyi energiát bocsát ki a Földre, hogy több mint két órán keresztül kielégítse a teljes emberi energiaigényt. Mivel könnyen hozzáférhető és megújuló, a napenergia vonzó energiaforrás. 2018-tól azonban a világ energiájának kevesebb mint két százaléka származott napenergiából. Történelmileg a napenergia kitermelése drága és viszonylag nem hatékony. Még ez a csekély napenergia-felhasználás is javulást jelent az előző két évtizedhez képest, mivel a napenergiából összegyűjtött energia mennyisége világszerte több mint 300-szorosára nőtt 2000-től 2019-ig. Az elmúlt húsz év új technológiai fejlődése a költségek csökkentésével hajtotta végre ezt a megnövekedett napenergiára való támaszkodást, és az új technológiai fejlesztések azt ígérik, hogy a költségek további csökkentésével és a napelemek hatékonyságának növelésével növelik ezt a napenergia-felhasználást.

Napelemek: Költségek, kihívások és tervezés

az elmúlt 20 évben a napelemekkel kapcsolatos költségek, amelyek képesek a fényenergiát villamos energiává alakítani, folyamatosan csökkentek. A National Renewable Energy Laboratory, egy amerikai kormányzati laboratórium, amely tanulmányozza a napelem technológiát, becslése szerint hozzájárul a napenergia növekvő megfizethetőségéhez. Becsléseik szerint a kemény költségek, a fizikai napelem hardver költségei és a puha költségek, amelyek magukban foglalják a munkaerőt vagy a szükséges kormányzati engedélyek megszerzésének költségeit, körülbelül egyenlőek (1.ábra). A puha költségek csökkentek, mivel több potenciális fogyasztó és több telepítési szakértő van az új napelemek számára, így a vállalatok tömegesen gyárthatnak napelemeket, és könnyen telepíthetik őket. A kemény költségek kevesebb, mint a fele a 2000-es évnek, főként a csökkenő anyagköltségek és a sejtek megnövekedett fénymegfogó képessége miatt. A költséghatékonyabb és hatékonyabb napelemek tervezése az innovatív tervezés mellett a napfelvételben részt vevő fizika alapos megfontolását igényelte.

mivel a napelemeket a fény villamos energiává történő átalakítására használják, olyan anyagból kell állniuk, amely jól képes a fényből származó energiát befogni. Ez az anyag két fémlemez közé helyezhető, amelyek a fényenergiából befogott villamos energiát oda szállítják, ahol szükség van rá, mint például egy otthon fényei vagy egy gyár gépei (2.ábra). A megfelelő anyag kiválasztása a fény rögzítéséhez magában foglalja a két energiaszint közötti különbség mérését, amelyet vegyértéksávnak és vezetési sávnak neveznek. Az alacsonyabb energiájú vegyértéksávot sok kis negatív töltésű részecske tölti ki, amelyeket elektronoknak neveznek, de a nagyobb energiájú vezetési sáv többnyire üres. Amikor az elektronokat fényrészecskék, úgynevezett fotonok érik, elegendő energiát képesek elnyelni ahhoz, hogy az alacsony energiájú vezetési sávból a nagy energiájú vegyértéksávba ugorjanak. A vegyértéksávba kerülve az elektronban lévő extra energiát villamos energiaként lehet betakarítani. Olyan, mintha az elektronok egy domb alján ülnének (a vezetési sáv), és egy foton ütné őket, amely energiát ad nekik a csúcsra ugráshoz (a karnis sáv).

az elektronoknak a vegyértéksávba való ugrásához szükséges energiamennyiség az anyag típusától függ. Lényegében a metaforikus domb mérete az adott anyag tulajdonságaitól függően változik. Ennek az energiahézagnak a mérete azért fontos, mert befolyásolja, hogy a napelemek mennyire hatékonyan alakítják át a fényt villamos energiává. Pontosabban, ha a fotonok kevesebb energiával érik el az elektronokat, mint amennyire az elektronnak szüksége van ahhoz, hogy a vegyértéksávról a vezetési sávra ugorjon, akkor a fény energiájának egyike sem kerül rögzítésre. Alternatív megoldásként, ha a fénynek több energiája van, mint amennyi a rés leküzdéséhez szükséges, akkor az elektron pontosan megragadja a szükséges energiát, a maradékot pedig elpazarolja. Mindkét forgatókönyv a napenergia betakarításának hatékonyságához vezet,így a napelem anyagának megválasztása fontos.

történelmileg A Szilícium volt a legnépszerűbb anyag a napelemek számára (2.ábra). Ennek a népszerűségnek az egyik oka a szilícium vezetőképessége és a vegyértéksávok közötti rés mérete, mivel a legtöbb fényrészecske energiája nagyon közel van ahhoz az energiához, amelyre a szilícium elektronjainak szükségük van az energiarés átugrásához. Elméletileg a fényenergia körülbelül 32% – át elektromos energiává lehet átalakítani egy szilícium napelemmel. Ez nem tűnik soknak, de lényegesen hatékonyabb, mint a legtöbb más anyag. Ezenkívül A Szilícium is olcsó. Ez az egyik legelterjedtebb elem a földön, és a finomítás költsége drámaian csökkent 1980 óta. A napelem-és elektronikai ipar hajtotta a tisztítási költségek csökkenését, mivel jobb ömlesztett tisztítási technikákat tanultak meg a napelemek és a fogyasztói elektronika iránti kereslet növelésére.

az anyagköltségek csökkentése mellett az okos mérnöki trükkök közelebb hozzák a szilícium napelemek hatékonyságát elméleti maximumukhoz. Annak érdekében, hogy a fotonok energiává alakuljanak, először össze kell ütközniük egy elektronnal. Az egyik trükk a foton/elektron ütközés valószínűségének növelésére magában foglalja a szilícium mintázását a napelemekben mikroszkopikus piramis alakzatokban. Amikor a fény felszívódik egy piramisba, tovább halad, növelve annak valószínűségét, hogy a fény ütközik a szilícium elektronjaival, mielőtt elmenekülne a cellából.

hasonló taktikával a vegyészek és az anyagtudósok fényvisszaverő bevonatokat terveztek a napelemek elejére, hogy megakadályozzák a hasznos fény visszaverődését az űrbe anélkül, hogy valaha is eltalálnák a napelem elektronját. Hasonlóképpen, ha reflektort helyezünk a napelem hátuljára, akkor több fényt lehet betakarítani. A fény, amely eléri a napelem és teszi, hogy egészen a hátsó ütközése nélkül egy elektron lesz visszapattant az első a sejt, így a sejt egy másik esélyt gyűjt a fény.

jelenleg a szilícium alapú napelemek költsége tovább csökken, és az ellenkező előrejelzések ellenére maga a szilícium költsége továbbra is csökken. A szilícium napelemek valószínűleg népszerűek maradnak a következő években. A szilícium napelemek alternatíváit fejlesztették ki, de nem elég messze ahhoz, hogy kereskedelmi szempontból életképesek legyenek.

a napelemek jövője

a jelenlegi napelemek felülmúlásához egy új kialakításnak képesnek kell lennie arra, hogy több fényt ragadjon meg, hatékonyabban alakítsa át a fényenergiát villamos energiává, és/vagy olcsóbb legyen építeni, mint a jelenlegi tervek. Az energiatermelők és a fogyasztók nagyobb valószínűséggel fogadják el a napenergiát, ha az általa termelt energia ugyanolyan vagy olcsóbb, mint más, gyakran nem megújuló villamosenergia-formák, ezért a jelenlegi napelem-tervek bármilyen javításának csökkentenie kell az általános költségeket, hogy széles körben elterjedjen.

az első lehetőség, olyan hardver hozzáadása, amely lehetővé teszi a napelemek számára, hogy több fényt rögzítsenek, valójában nem követeli meg a jelenlegi napelem-tervek elhagyását. Electronics lehet telepíteni a napelem, hogy hagyja, hogy a cella nyomon követni a nap, ahogy mozog a nappali égbolton. Ha a napelem mindig a napra mutat, akkor sokkal több foton fogja eltalálni, mintha csak dél körül mutatna a nap felé. Jelenleg folyamatos kihívást jelent a nap helyzetét évtizedeken át pontosan és következetesen, ésszerű költségek mellett nyomon követő elektronika tervezése, de az innováció ezen a területen folytatódik. A napelem mozgatásának alternatívája a tükrök használata, hogy a fényt egy kisebb, ezért olcsóbb napelemre összpontosítsák.

a napelemek teljesítményének javításának másik útja a hatékonyságuk megcélzása, hogy jobban átalakítsák a napfényben lévő energiát villamos energiává. A több mint egy réteg fényrögzítő anyaggal rendelkező napelemek több fotont képesek befogni, mint a csak egyetlen rétegű napelemek. A közelmúltban a négy rétegű, laboratóriumban tesztelt napelemek a bejövő fényenergia 46% – át képesek megragadni. Ezek a sejtek többnyire még mindig túl drágák és nehezen gyárthatók kereskedelmi használatra, de a folyamatban lévő kutatások egy nap lehetővé teszik ezeknek a szuperhatékony sejteknek a megvalósítását.

a napelemek hatékonyságának javításának alternatívája egyszerűen a költségek csökkentése. Annak ellenére, hogy a szilícium feldolgozása az elmúlt évtizedekben olcsóbbá vált, még mindig jelentősen hozzájárul a napelemek telepítésének költségeihez. Vékonyabb napelemek használatával az anyagköltségek csökkennek. Ezek a “vékonyrétegű napelemek” anyagréteget használnak a fényenergia betakarításához, amely csak 2-8 mikrométer vastag, ami csak a hagyományos napelem előállításához használt anyag körülbelül 1% – a. Hasonlóan a többrétegű cellákhoz, a vékonyréteg-napelemek gyártása kissé bonyolult, ami korlátozza alkalmazásukat, de a kutatás folyamatban van.

a közeljövőben a szilícium napelemek költségei valószínűleg tovább csökkennek, és nagy számban telepíthetők. Az Egyesült Államokban ezek a költségcsökkentések várhatóan legalább 700% – kal növelik a termelt napenergiát 2050-re. Eközben folytatódik a hatékonyabb és olcsóbb napelemek alternatív tervezésének kutatása. Évek múlva valószínűleg a szilícium alternatívái jelennek meg a napelemfarmjainkon és a háztetőkön, segítve a tiszta és megújuló energiaforrások biztosítását. Ezeket a fejlesztéseket a napelemek tömeges gyártásának növelése, valamint az cellákat olcsóbbá és hatékonyabbá tevő új technológiák teszik lehetővé és a jövőben is lehetővé.

Emily Kerr, a kémia és a Kémiai Biológia végzős hallgatója.

Abagail Burrus egy harmadik éves organizmus és evolúciós biológia PhD hallgató, aki tanulmányozza elaiophore fejlődését.

további információkért:

• ha többet szeretne megtudni vékony film napelemek, nézd meg ezt a darabot MIT News
• További információ a csökkenő költségek napelemek, lásd ezt a cikket MIT News
• a grafikus ábrázolása, hogyan napelemek munka, nézd meg ezt a cikket napelem összetétele és a tudomány

ez a cikk része a SITN20 sorozat, a sitn 20.évfordulójának megünneplésére írták az elmúlt két évtized legjelentősebb tudományos fejlődésének megemlékezésével. Nézze meg a többi SITN20 darabot!