Science in the News

by Emily Kerr
figures by Abagail Burrus

Słońce emituje wystarczającą ilość energii na ziemię co sekundę, aby zaspokoić całe ludzkie zapotrzebowanie na energię przez ponad dwie godziny. Biorąc pod uwagę, że jest łatwo dostępna i odnawialna, energia słoneczna jest atrakcyjnym źródłem energii. Jednak od 2018 roku mniej niż dwa procent światowej energii pochodzi z energii słonecznej. Historycznie pozyskiwanie energii słonecznej było kosztowne i stosunkowo nieefektywne. Nawet to skromne zużycie energii słonecznej jest jednak poprawą w ciągu ostatnich dwóch dekad, ponieważ ilość energii pobieranej z energii słonecznej na całym świecie wzrosła ponad 300-krotnie od 2000 do 2019 roku. Nowy postęp technologiczny w ciągu ostatnich dwudziestu lat spowodował wzrost polegania na energii słonecznej poprzez zmniejszenie kosztów, a nowy rozwój technologiczny obiecuje zwiększenie tego zużycia energii słonecznej poprzez dalsze obniżenie kosztów i zwiększenie wydajności paneli słonecznych.

Ogniwa Słoneczne: Koszty, wyzwania i projektowanie

w ciągu ostatnich 20 lat koszty związane z ogniwami słonecznymi, konstrukcjami zdolnymi do przekształcania energii świetlnej w energię elektryczną, stale malały. National Renewable Energy Laboratory, laboratorium rządowe USA, które bada technologię ogniw słonecznych, szacuje, że przyczynili się do zwiększenia przystępności cenowej energii słonecznej. Szacują, że koszty twarde, koszty fizycznego sprzętu ogniw słonecznych i koszty miękkie, które obejmują robociznę lub koszty uzyskania wymaganych zezwoleń rządowych, są około równe (Rysunek 1). Koszty miękkie spadły, ponieważ istnieje więcej potencjalnych konsumentów i więcej ekspertów instalacyjnych dla nowych ogniw słonecznych, więc firmy mogą produkować ogniwa słoneczne luzem i łatwo je instalować. Koszty twarde są mniejsze niż połowa tego, co było w roku 2000, głównie ze względu na zmniejszenie kosztów materiałów i zwiększoną zdolność ogniw do przechwytywania światła. Inżynieria bardziej opłacalnych i wydajnych ogniw słonecznych wymaga starannego rozważenia fizyki związanej z wychwytywaniem energii słonecznej oprócz innowacyjnego projektu.

ponieważ ogniwa słoneczne są używane do przekształcania światła w energię elektryczną, muszą one składać się z materiału, który jest dobry w wychwytywaniu energii ze światła. Materiał ten może być umieszczony pomiędzy dwoma metalowymi płytami, które przenoszą energię elektryczną przechwyconą z energii świetlnej tam, gdzie jest ona potrzebna, jak światła domu lub maszyny fabryki (Rysunek 2). Wybór odpowiedniego materiału do przechwytywania światła polega na pomiarze różnicy między dwoma poziomami energii nazywanymi pasmem walencyjnym i pasmem przewodnictwa. Pasmo o niższej energii jest wypełnione wieloma małymi ujemnie naładowanymi cząstkami zwanymi elektronami, ale pasmo o wyższej energii jest w większości puste. Kiedy elektrony są uderzane cząstkami światła, nazywanymi fotonami, mogą wchłonąć wystarczającą ilość energii, aby przeskoczyć z pasma przewodzenia niskoenergetycznego do pasma walencyjnego o wysokiej energii. Raz w paśmie walencyjnym, dodatkowa energia w elektronie mogą być zbierane jako elektryczność. To tak, jakby elektrony siedzą na dole wzgórza (pasmo przewodzenia) i są uderzane przez Foton, który daje im energię do skoku na górę (pasmo falbany).

ilość energii potrzebnej do elektronów, aby przejść do pasma walencyjnego zależy od rodzaju materiału. Zasadniczo wielkość wzgórza metaforycznego różni się w zależności od właściwości danego materiału. Rozmiar tej luki energetycznej ma znaczenie, ponieważ wpływa na to, jak skutecznie ogniwa słoneczne przekształcają światło w energię elektryczną. W szczególności, jeśli fotony uderzają w elektrony z mniejszą energią niż elektron musi przeskoczyć z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, żadna z energii światła nie jest przechwytywana. Alternatywnie, jeśli światło ma więcej energii niż jest potrzebne do przezwyciężenia tej luki, to elektron przechwytuje dokładną energię, której potrzebuje i marnuje resztę. Oba te scenariusze prowadzą do nieefektywności w pozyskiwaniu energii słonecznej, co sprawia, że wybór materiału ogniw słonecznych jest ważny.

historycznie krzem był najpopularniejszym materiałem dla ogniw słonecznych (Rysunek 2). Jednym z powodów tej popularności jest rozmiar szczeliny między pasmami przewodnictwa krzemu i wartościowości, ponieważ energia większości cząstek światła jest bardzo zbliżona do energii potrzebnej elektronom krzemu do przeskoczenia luki energetycznej. Teoretycznie około 32% energii świetlnej można przekształcić w energię elektryczną za pomocą krzemowego ogniwa słonecznego. To może nie wydawać się dużo, ale jest znacznie bardziej wydajny niż większość innych materiałów. Dodatkowo krzem jest również niedrogi. Jest to jeden z najliczniejszych pierwiastków na ziemi, a koszt jego rafinacji drastycznie spadł od 1980 roku. Przemysł ogniw słonecznych i elektroniki spowodował spadek kosztów oczyszczania, ponieważ nauczył się lepszych technik oczyszczania luzem w celu napędzania popytu na ogniwa słoneczne i elektronikę użytkową.

oprócz zmniejszenia kosztów materiałów, sprytne sztuczki inżynierskie zbliżają wydajność krzemowych ogniw słonecznych do teoretycznego maksimum. Aby fotony mogły zostać przekształcone w energię, muszą najpierw zderzyć się z elektronem. Jednym ze sposobów zwiększenia prawdopodobieństwa zderzenia fotonu z elektronem jest modelowanie krzemu w ogniwach słonecznych w mikroskopijnych kształtach piramid. Kiedy światło jest absorbowane do piramidy, podróżuje dalej, zwiększając prawdopodobieństwo, że światło zderzy się z elektronami w krzemie przed ucieczką z komórki.

w podobnej taktyce chemicy i naukowcy materiałowi zaprojektowali powłoki antyrefleksyjne, aby umieścić je na froncie ogniw słonecznych, aby zapobiec odbiciu użytecznego światła z powrotem w Przestrzeń Kosmiczną bez uderzenia elektronu w ogniwo słoneczne. Podobnie, umieszczenie reflektora z tyłu ogniwa słonecznego pozwala również na zbieranie większej ilości światła. Światło, które dociera do ogniwa słonecznego i sprawia, że aż do tyłu bez uderzenia elektronu zostaje odbite do przodu komórki, dając komórce kolejną szansę na zbieranie światła.

obecnie koszt krzemowych ogniw słonecznych nadal spada, a mimo przewidywań wręcz przeciwnie, koszt samego krzemu nadal spada. Krzemowe ogniwa słoneczne prawdopodobnie pozostaną popularne przez najbliższe kilka lat. Opracowano alternatywy dla krzemowych ogniw słonecznych, ale nie są one wystarczająco daleko, aby były opłacalne komercyjnie.

przyszłość Ogniw Słonecznych

aby wyprzedzić obecne ogniwa słoneczne, nowy projekt musiałby być w stanie przechwycić więcej światła, efektywniej przekształcić energię świetlną w energię elektryczną i/lub być tańszy w budowie niż obecne projekty. Producenci i konsumenci energii są bardziej skłonni do korzystania z energii słonecznej, jeśli energia, którą produkują, jest równie lub tańsza niż inne, często nieodnawialne, formy energii elektrycznej, więc wszelkie ulepszenia do obecnych projektów ogniw słonecznych muszą obniżyć ogólne koszty, aby stały się szeroko stosowane.

pierwsza opcja, dodanie sprzętu, który pozwala ogniwom słonecznym przechwytywać więcej światła, w rzeczywistości nie wymaga porzucenia obecnych projektów ogniw słonecznych. Elektronika może być instalowana z ogniwem słonecznym, które pozwala komórce śledzić słońce podczas poruszania się po niebie w ciągu dnia. Jeśli ogniwo słoneczne jest zawsze skierowane na słońce, zostanie uderzone o wiele więcej fotonów niż gdyby było skierowane tylko w stronę słońca około południa. Obecnie projektowanie elektroniki, która może śledzić pozycję słońca dokładnie i konsekwentnie przez kilka dziesięcioleci przy rozsądnych kosztach, jest ciągłym wyzwaniem, ale innowacje na tym froncie trwają. Alternatywą dla poruszania się samego ogniwa słonecznego jest użycie luster do skupienia światła na mniejszym, a zatem tańszym ogniwie słonecznym.

inną drogą do poprawy wydajności ogniw słonecznych jest ukierunkowanie ich wydajności, aby lepiej przetwarzały energię w świetle słonecznym na energię elektryczną. Ogniwa słoneczne z więcej niż jedną warstwą materiału rejestrującego światło mogą przechwytywać więcej fotonów niż ogniwa słoneczne z tylko jedną warstwą. Niedawno przetestowane laboratoryjnie ogniwa słoneczne z czterema warstwami mogą przechwytywać 46% energii światła, która je uderza. Komórki te są nadal w większości zbyt drogie i trudne do wykorzystania komercyjnego, ale trwające badania mogą pewnego dnia sprawić, że wdrożenie tych super wydajnych komórek będzie możliwe.

alternatywą dla poprawy wydajności ogniw słonecznych jest po prostu zmniejszenie ich kosztów. Chociaż przetwarzanie krzemu stało się tańsze w ciągu ostatnich kilku dekad, nadal znacząco przyczynia się do kosztów instalacji ogniw słonecznych. Dzięki zastosowaniu cieńszych ogniw słonecznych koszty materiałów zmniejszają się. Te “cienkowarstwowe ogniwa słoneczne” wykorzystują warstwę materiału do zbierania energii świetlnej, która ma tylko 2 do 8 mikrometrów grubości, tylko około 1% tego, co jest używane do produkcji tradycyjnego ogniwa słonecznego. Podobnie jak ogniwa wielowarstwowe, cienkowarstwowe ogniwa słoneczne są nieco trudne w produkcji, co ogranicza ich zastosowanie, ale trwają badania.

w najbliższej przyszłości krzemowe ogniwa słoneczne prawdopodobnie będą nadal obniżać koszty i będą instalowane w dużych ilościach. Przewiduje się, że w Stanach Zjednoczonych spadek kosztów zwiększy produkcję energii słonecznej o co najmniej 700% do roku 2050. Tymczasem badania nad alternatywnymi projektami dla bardziej wydajnych i tańszych ogniw słonecznych będą kontynuowane. Za kilka lat prawdopodobnie zobaczymy alternatywy dla krzemu pojawiające się na naszych farmach słonecznych i dachach, pomagające zapewnić czyste i odnawialne źródła energii. Te ulepszenia były i będą nadal możliwe dzięki zwiększeniu masowej produkcji ogniw słonecznych i nowym technologiom, które sprawiają, że ogniwa są tańsze i bardziej wydajne.

Emily Kerr, Absolwentka chemii i biologii chemicznej.

Abagail Burrus jest studentem trzeciego roku Biologii Organizmicznej i Ewolucyjnej, który bada rozwój elaioforów.

więcej informacji:

• aby dowiedzieć się więcej o cienkowarstwowych ogniwach słonecznych, sprawdź ten artykuł z wiadomości MIT
• aby uzyskać więcej informacji na temat zmniejszających się kosztów ogniw słonecznych, zobacz ten artykuł z wiadomości MIT
• aby uzyskać graficzny obraz Działania paneli słonecznych, sprawdź ten artykuł na temat składu i nauki paneli słonecznych

ten artykuł jest częścią naszej serii SITN20, napisany z okazji 20-lecia sitn, upamiętniając najważniejsze osiągnięcia naukowe ostatnich dwóch dekad. Sprawdź nasze pozostałe SITN20 sztuk!