Vitenskap i Nyhetene

Av Emily Kerr
tall Av Abagail Burrus

Solen avgir nok kraft på Jorden hvert sekund for å tilfredsstille hele menneskets energibehov i over to timer. Gitt at det er lett tilgjengelig og fornybar, er solenergi en attraktiv energikilde. Men fra og med 2018 kom mindre enn to prosent av verdens energi fra solenergi. Historisk har høsting av solenergi vært dyrt og relativt ineffektivt. Selv denne svake solbruken er imidlertid en forbedring i løpet av de to foregående tiårene, da mengden kraft samlet fra solenergi over hele verden økte over 300 ganger fra 2000 til 2019. Nye teknologiske fremskritt de siste tjue årene har drevet denne økte avhengigheten av solenergi ved å redusere kostnadene, og nye teknologiske utviklinger lover å øke denne solbruken ved ytterligere å redusere kostnadene og øke solpanelets effektivitet.

Solceller: Kostnader, Utfordringer Og Design

i løpet Av de siste 20 årene har kostnadene forbundet med solceller, strukturer som er i stand til å konvertere lysenergi Til elektrisitet, blitt jevnt avtagende. National Renewable Energy Laboratory, ET amerikansk regjeringslaboratorium som studerer solcelleteknologi, anslår bidragsytere til den økende overkommeligheten til solenergi. De anslår at harde kostnader, kostnadene ved den fysiske solcellehardware og myke kostnader, som inkluderer arbeidskraft eller kostnader for å skaffe nødvendige offentlige tillatelser, er omtrent like (Figur 1). Myke kostnader har gått ned fordi det er flere potensielle forbrukere og flere installasjonseksperter for nye solceller, slik at bedrifter kan produsere solceller i bulk og installere dem enkelt. Harde kostnader er mindre enn halvparten av hva de var i år 2000, hovedsakelig på grunn av reduserte materialkostnader og økt evne til celler til å fange lys. Engineering mer kostnadseffektive og effektive solceller har krevd nøye vurdering av fysikken involvert i solfangst i tillegg til nyskapende design.

fordi solceller brukes til å konvertere lys til elektrisitet, må de være sammensatt av noe materiale som er godt å fange energi fra lys. Dette materialet kan være klemt mellom to metallplater som bærer elektrisitet fanget fra lysenergi til der det er nødvendig, som lysene i et hjem eller maskiner av en fabrikk (Figur 2). Å velge riktig materiale for å fange lys innebærer å måle forskjellen mellom to energinivåer kalt valensbåndet og ledningsbåndet. Valensbåndet med lavere energi er fylt med mange små negativt ladede partikler kalt elektroner, men ledningsbåndet med høyere energi er for det meste tomt. Når elektroner rammes med partikler av lys, kalt fotoner, kan de absorbere nok energi til å hoppe fra lav-energi ledningsbåndet til høy-energi valensbåndet. En gang i valensbåndet kan den ekstra energien i elektronen høstes som elektrisitet. Det er som om elektronene sitter på bunnen av en ås (ledningsbåndet) og blir rammet av en foton som gir dem energi til å hoppe til toppen (valance-bandet).

mengden energi som trengs for elektroner å hoppe inn i valensbåndet, avhenger av typen materiale. I hovedsak varierer størrelsen på den metaforiske bakken basert på egenskapene til et gitt materiale. Størrelsen på dette energigapet er viktig fordi det påvirker hvor effektivt solceller konverterer lys til elektrisitet. Spesielt, hvis fotoner treffer elektronene med mindre energi enn elektronen trenger å hoppe fra valensbåndet til ledningsbåndet, blir ingen av lysets energi fanget. Alternativt, hvis lyset har mer energi enn det som trengs for å overvinne det gapet, fanger elektronen den nøyaktige energien den trenger og sløser resten. Begge disse scenariene fører til ineffektivitet i solhøsting, noe som gjør valget av solcellemateriale en viktig.

historisk har silisium vært det mest populære materialet for solceller (Figur 2). En årsak til denne populariteten ligger i størrelsen på gapet mellom silisiumets ledning og valensbånd, da energien til de fleste lyspartikler er svært nær energien som trengs av silisiumets elektroner for å hoppe over energigapet. Teoretisk sett kan omtrent 32% av lysenergien omdannes til elektrisk energi med en silisiumsolcelle. Dette kan ikke virke som mye, men det er betydelig mer effektivt enn de fleste andre materialer. I tillegg er silisium også billig. Det er en av de mest tallrike elementene på jorden, og kostnadene ved raffinering det har sunket dramatisk siden 1980. Solcelle – og elektronikkindustrien har drevet nedgangen i rensekostnaden da de har lært bedre bulkrensingsteknikker for å drive etterspørselen av solceller og forbrukerelektronikk.

i tillegg til å redusere materialkostnadene, smarte tekniske triks presser effektiviteten av silisium solceller nærmere deres teoretiske maksimum. For at fotoner skal omdannes til energi, må de først kollidere med et elektron. Et triks for å øke sannsynligheten for en foton/elektronkollisjon innebærer å mønstre silisiumet i solceller i mikroskopiske pyramideformer. Når lys absorberes i en pyramide, reiser det videre, og øker sannsynligheten for at lyset vil kollidere med elektronene i silisiumet før det unnslipper cellen.

i en lignende taktikk har kjemikere og materialforskere designet antirefleksbelegg for å sette på forsiden av solceller for å hindre at nyttig lys reflekteres tilbake i rommet uten å treffe et elektron i solcellen. På samme måte, å sette en reflektor på baksiden av solcellen tillater også mer lys å bli høstet. Lyset som når solcellen og gjør det hele veien gjennom til baksiden uten å treffe et elektron, blir spratt til forsiden av cellen, noe som gir cellen en ny sjanse til å samle lyset.

for Tiden fortsetter kostnaden for silisiumbaserte solceller å synke, og til tross for spådommer om det motsatte, fortsetter kostnaden for silisium selv å synke. Silisiumsolceller vil trolig forbli populære de neste årene. Alternativer til silisiumsolceller har blitt utviklet, men er ikke langt nok til å være kommersielt levedyktige.

Fremtiden For Solceller

for å overgå dagens solceller må et nytt design kunne fange mer lys, forvandle lysenergi til elektrisitet mer effektivt og/eller være billigere å bygge enn dagens design. Energiprodusenter og forbrukere er mer sannsynlig å vedta solenergi hvis energien den produserer er like eller billigere enn andre, ofte ikke-fornybare, former for elektrisitet, så enhver forbedring av dagens solcelle design må redusere de totale kostnadene for å bli mye brukt.

det første alternativet, å legge til maskinvare som gjør at solcellene kan fange mer lys, krever faktisk ikke at vi forlater dagens solcelledesign. Elektronikk kan installeres med solcellen som lar cellen spore solen når den beveger seg gjennom dagtidshimmelen. Hvis solcellen alltid peker mot solen, vil den bli rammet av mange flere fotoner enn om den bare pekte mot solen rundt middagstid. For tiden er det en kontinuerlig utfordring å designe elektronikk som kan spore solens posisjon nøyaktig og konsekvent i flere tiår til en rimelig pris, men innovasjon på denne fronten fortsetter. Et alternativ til å gjøre solcellen selv flytte er å bruke speil for å fokusere lys på en mindre, og derfor billigere solcelle.

En annen rute for å forbedre ytelsen til solceller er å målrette effektiviteten, slik at de er bedre til å konvertere energi i sollys til elektrisitet. Solceller med mer enn ett lag med lysfangende materiale kan fange flere fotoner enn solceller med bare et enkelt lag. Nylig kan lab-testede solceller med fire lag fange 46% av den innkommende lysenergien som rammer dem. Disse cellene er fortsatt for det meste for dyre og vanskelige å gjøre for kommersiell bruk, men pågående forskning kan en dag gjøre det mulig å implementere disse supereffektive cellene.

alternativet til å forbedre effektiviteten til solceller er ganske enkelt å redusere kostnadene. Selv om behandling av silisium har blitt billigere de siste tiårene, bidrar det fortsatt betydelig til kostnaden for solcelleinstallasjon. Ved å bruke tynnere solceller reduseres materialkostnadene. Disse “tynnfilmsolceller” bruker et lag av materiale for å høste lysenergi som bare er 2 til 8 mikrometer tykk, bare ca 1% av det som brukes til å lage en tradisjonell solcelle. I likhet med celler med flere lag er tynnfilmsolceller litt vanskelig å produsere, noe som begrenser deres anvendelse, men forskning pågår.

i nær fremtid vil silisiumsolceller sannsynligvis fortsette å redusere kostnadene og bli installert i store mengder. I Usa forventes disse kostnadsreduksjonene å øke solenergien produsert med minst 700% innen 2050. I mellomtiden vil forskning på alternative design for mer effektive og billigere solceller fortsette. År fra nå vil vi sannsynligvis se alternativer til silisium som vises på våre solparker og hustak, og bidrar til å gi rene og fornybare energikilder. Disse forbedringene har og vil fortsette å bli gjort mulig ved å øke bulkproduksjonen av solceller og ny teknologi som gjør cellene billigere og mer effektive.

Emily Kerr, Kandidatstudent I Kjemi og Kjemisk Biologi.

Abagail Burrus Er en tredje år Organismic Og Evolusjonær Biologi PhD student som studerer elaiophore utvikling.

for mer informasjon:

• for å lære mer om tynnfilm solceller, sjekk ut dette stykket Fra MIT News
• for mer informasjon om de reduserte kostnadene for solceller, se denne artikkelen Fra MIT News
• for en grafisk fremstilling av hvordan solcellepaneler fungerer, sjekk ut denne artikkelen om solpanelsammensetning og vitenskap

denne artikkelen er en DEL av VÅR SITN20-serie, skrevet for å feire 20-årsjubileet for sitn ved å minnes de mest bemerkelsesverdige vitenskapelige Fremskritt i de siste to tiårene. Sjekk ut VÅRE ANDRE SITN20 stykker!