știință în știri

de Emily Kerr
cifre de Abagail Burrus

soarele emite suficientă energie pe Pământ în fiecare secundă pentru a satisface întreaga cerere de energie umană timp de peste două ore. Având în vedere că este ușor disponibilă și regenerabilă, energia solară este o sursă atractivă de energie. Cu toate acestea, începând cu 2018, mai puțin de două procente din energia lumii provenea din energia solară. Din punct de vedere istoric, recoltarea energiei solare a fost costisitoare și relativ ineficientă. Chiar și această utilizare solară slabă, totuși, este o îmbunătățire față de ultimele două decenii, deoarece cantitatea de energie colectată din energia solară la nivel mondial a crescut de peste 300 de ori din 2000 până în 2019. Noile progrese tehnologice din ultimii douăzeci de ani au determinat această dependență crescută de energia solară prin scăderea costurilor, iar noile evoluții tehnologice promit să sporească această utilizare solară prin scăderea în continuare a costurilor și creșterea eficienței panourilor solare.

Celule Solare: Costuri, provocări și proiectare

în ultimii 20 de ani, costurile asociate cu celulele solare, structurile capabile să transforme energia luminii în electricitate, au scăzut constant. Laboratorul Național de energie regenerabilă, un laborator guvernamental american care studiază tehnologia celulelor solare, estimează că contribuie la creșterea accesibilității solare. Ei estimează că costurile grele, costurile hardware-ului fizic al celulelor solare și costurile ușoare, care includ forța de muncă sau Costurile pentru obținerea permiselor guvernamentale necesare, sunt aproximativ egale (Figura 1). Costurile Soft au scăzut, deoarece există mai mulți consumatori potențiali și mai mulți experți în instalare pentru noi celule solare, astfel încât companiile pot produce celule solare în vrac și le pot instala cu ușurință. Costurile grele sunt mai puțin de jumătate din ceea ce au fost în anul 2000, în mare parte datorită scăderii costurilor materiale și a capacității crescute a celulelor de a capta lumina. Ingineria celulelor solare mai rentabile și mai eficiente a necesitat o analiză atentă a fizicii implicate în captarea solară, pe lângă designul inovator.

deoarece celulele solare sunt folosite pentru a transforma lumina în electricitate, ele trebuie să fie compuse dintr-un material care este bun la captarea energiei din lumină. Acest material poate fi intercalat între două plăci metalice care transportă electricitatea captată de la energia luminii la locul unde este nevoie, cum ar fi luminile unei case sau mașinile unei fabrici (Figura 2). Alegerea materialului potrivit pentru captarea luminii implică măsurarea diferenței dintre două niveluri de energie numite banda de valență și banda de conducere. Banda de valență cu energie inferioară este umplută cu multe particule mici încărcate negativ numite electroni, dar banda de conducere cu energie mai mare este în mare parte goală. Când electronii sunt loviți cu particule de lumină, numite fotoni, pot absorbi suficientă energie pentru a sări din banda de conducere cu energie redusă în banda de valență cu energie ridicată. Odată ajuns în banda de valență, energia suplimentară din electron poate fi recoltată ca electricitate. Este ca și cum electronii ar sta în partea de jos a unui deal (banda de conducere) și ar fi loviți de un foton care le dă energia să sară în vârf (banda de valanță).

cantitatea de energie necesară electronilor pentru a sări în banda de valență depinde de tipul de material. În esență, dimensiunea dealului metaforic variază în funcție de proprietățile unui material dat. Dimensiunea acestui decalaj energetic contează, deoarece afectează cât de eficient celulele solare transformă lumina în electricitate. Mai exact, dacă fotonii lovesc electronii cu mai puțină energie decât electronul are nevoie pentru a sări de la banda de valență la banda de conducție, nicio energie a luminii nu este captată. Alternativ, dacă lumina are mai multă energie decât este necesară pentru a depăși acel decalaj, atunci electronul captează energia precisă de care are nevoie și risipește restul. Ambele scenarii duc la ineficiențe în recoltarea solară, făcând alegerea materialului celulelor solare una importantă.

din punct de vedere istoric, siliciul a fost cel mai popular material pentru celulele solare (Figura 2). Un motiv pentru această popularitate constă în dimensiunea decalajului dintre benzile de conducere și valență ale siliciului, deoarece energia majorității particulelor de lumină este foarte apropiată de energia necesară electronilor de siliciu pentru a sări peste decalajul energetic. Teoretic, aproximativ 32% din energia luminii ar putea fi transformată în energie electrică cu o celulă solară de siliciu. Acest lucru poate să nu pară mult, dar este semnificativ mai eficient decât majoritatea celorlalte materiale. În plus, siliciul este, de asemenea, ieftin. Este unul dintre cele mai abundente elemente de pe pământ, iar costul rafinării a scăzut dramatic din 1980. Industriile de celule solare și electronice au determinat scăderea costurilor de purificare, deoarece au învățat tehnici de purificare în vrac mai bune pentru a conduce cererea de celule solare și electronice de consum.

în plus față de scăderea costurilor materiale, trucuri inteligente de inginerie împing eficiența celulelor solare de siliciu mai aproape de maximul lor teoretic. Pentru ca fotonii să fie transformați în energie, ei trebuie mai întâi să se ciocnească cu un electron. Un truc pentru a crește probabilitatea unei coliziuni foton / electron implică modelarea siliciului din celulele solare în forme piramidale microscopice. Când lumina este absorbită într-o piramidă, ea călătorește mai departe, crescând probabilitatea ca lumina să se ciocnească cu electronii din siliciu înainte de a scăpa de celulă.

într-o tactică similară, chimiștii și oamenii de știință din materiale au proiectat acoperiri antireflexive pentru a pune pe partea din față a celulelor solare pentru a preveni reflectarea luminii utile înapoi în spațiu fără a lovi vreodată un electron din celula solară. De asemenea, punerea unui reflector pe spatele celulei solare permite, de asemenea, recoltarea mai multor lumini. Lumina care ajunge la celula solară și o face până în spate fără a lovi un electron este aruncată în partea din față a celulei, oferind celulei o altă șansă de a colecta lumina.

în prezent, costul celulelor solare pe bază de siliciu continuă să scadă și, în ciuda previziunilor contrare, costul siliciului în sine continuă să scadă. Celulele solare din siliciu vor rămâne probabil populare în următorii câțiva ani. Au fost dezvoltate alternative la celulele solare din siliciu, dar nu sunt suficient de departe pentru a fi viabile din punct de vedere comercial.

viitorul celulelor solare

pentru a depăși celulele solare actuale, un nou design ar trebui să fie capabil să capteze mai multă lumină, să transforme energia luminii în electricitate mai eficient și/sau să fie mai puțin costisitor de construit decât proiectele actuale. Producătorii și consumatorii de energie sunt mai predispuși să adopte energia solară dacă energia pe care o produce este la fel sau mai puțin costisitoare decât alte forme de energie electrică, adesea neregenerabile, astfel încât orice îmbunătățire a proiectelor actuale de celule solare trebuie să reducă costurile globale pentru a deveni utilizate pe scară largă.

prima opțiune, adăugând hardware care permite celulelor solare să capteze mai multă lumină, nu necesită de fapt abandonarea proiectelor actuale de celule solare. Electronica poate fi instalată cu celula solară care permite celulei să urmărească soarele în timp ce se mișcă prin cerul din timpul zilei. Dacă celula solară este întotdeauna îndreptată spre soare, va fi lovită de mult mai mulți fotoni decât dacă ar fi îndreptat spre soare doar în jurul prânzului. În prezent, proiectarea electronicelor care pot urmări poziția soarelui cu precizie și consecvență timp de câteva decenii la un cost rezonabil este o provocare continuă, dar inovația pe acest front continuă. O alternativă la mișcarea celulei solare în sine este utilizarea oglinzilor pentru a focaliza lumina pe o celulă solară mai mică și, prin urmare, mai ieftină.

o altă cale de îmbunătățire a performanței celulelor solare este de a viza eficiența acestora, astfel încât acestea să fie mai bune la conversia energiei din lumina soarelui în electricitate. Celulele solare cu mai mult de un strat de material care captează lumina pot capta mai mulți fotoni decât celulele solare cu un singur strat. Recent, celulele solare testate în laborator cu patru straturi pot capta 46% din energia luminii primite care le-a lovit. Aceste celule sunt încă în mare parte prea scumpe și dificil de făcut pentru uz comercial, dar cercetările în curs de desfășurare pot face posibilă implementarea acestor celule super-eficiente.

alternativa la îmbunătățirea eficienței celulelor solare este pur și simplu scăderea costului acestora. Chiar dacă prelucrarea siliciului a devenit mai ieftină în ultimele decenii, aceasta contribuie în continuare semnificativ la costul instalării celulelor solare. Prin utilizarea celulelor solare mai subțiri, costurile materialelor scad. Aceste “celule solare cu film subțire” folosesc un strat de material pentru a recolta energie luminoasă care are doar 2 până la 8 micrometri grosime, doar aproximativ 1% din ceea ce este folosit pentru a face o celulă solară tradițională. La fel ca celulele cu mai multe straturi, celulele solare cu film subțire sunt un pic dificil de fabricat, ceea ce limitează aplicarea lor, dar cercetările sunt în curs de desfășurare.

în viitorul apropiat, celulele solare din siliciu vor continua să scadă în costuri și să fie instalate în număr mare. În Statele Unite, se anticipează că aceste scăderi ale costurilor vor crește energia solară produsă cu cel puțin 700% până în 2050. Între timp, cercetările privind proiectele alternative pentru celule solare mai eficiente și mai puțin costisitoare vor continua. Peste ani, este posibil să vedem alternative la siliciu care apar pe fermele noastre solare și pe acoperișuri, ajutând la furnizarea de surse de energie curate și regenerabile. Aceste îmbunătățiri au fost și vor continua să fie posibile prin creșterea producției în vrac a celulelor solare și a noilor tehnologii care fac celulele mai ieftine și mai eficiente.

Emily Kerr, student absolvent în chimie și biologie chimică.

Abagail Burrus este un doctorand în biologie organismică și evolutivă din anul III care studiază dezvoltarea elaioforului.

pentru mai multe informații:

• pentru a afla mai multe despre celulele solare cu film subțire, consultați această piesă de la MIT News
• pentru mai multe informații despre costurile în scădere ale celulelor solare, consultați acest articol de la MIT News
• pentru o descriere grafică a modului în care funcționează panourile solare, consultați acest articol despre compoziția și știința panourilor solare

acest articol face parte din seria noastră SITN20, scris pentru a sărbători cea de-a 20-a aniversare a sitn prin comemorarea celor mai notabile progrese științifice din ultimele două decenii. Verificați celelalte piese SITN20!