Γιατί υπάρχει όριο στην απόδοση των ηλιακών συλλεκτών;

Οι ηλιακοί συλλέκτες αντιπροσωπεύουν το μέλλον της ενέργειας. Ωστόσο, η μέγιστη καταγεγραμμένη απόδοση ενός εμπορικού ηλιακού κυττάρου είναι 33% λόγω ορισμένων ενεργειακών φραγμών σε μοριακό επίπεδο.

«Θα έβαζα τα χρήματά μου στον ήλιο και την ηλιακή ενέργεια. Τι πηγή δύναμης! Ελπίζω να μην χρειαστεί να περιμένουμε μέχρι να τελειώσει το πετρέλαιο και ο άνθρακας πριν το αντιμετωπίσουμε.» - Thomas Edison

Όλοι στον κόσμο θα πρέπει τώρα να συμφωνήσουν ακράδαντα ότι οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας είναι ο μόνος δρόμος προς τα εμπρός όσον αφορά την ικανοποίηση της όρεξης της ανθρωπότητας για ενέργεια. Η Γκρέτα Τούνμπεργκ προσπάθησε να πει αυτό το σημείο σε αρκετές περιπτώσεις ενώπιον των ισχυρότερων ηγετών των πιο ανεπτυγμένων εθνών αυτού του κόσμου. Ωστόσο, όπως είδαμε όλοι, στην πραγματικότητα επικρίθηκε από αρκετούς παγκόσμιους ηγέτες, συμπεριλαμβανομένου του Αμερικανού προέδρου Ντόναλντ Τραμπ, αν και το να τον αποκαλούν «ηγέτη» φαίνεται σαν ένα τέντωμα. Το θέμα είναι ότι όλοι οι ειδικοί γνωρίζουν ότι η Γκρέτα έχει δίκιο. Ωστόσο, όταν πρόκειται για τις διάφορες εναλλακτικές λύσεις πιο πράσινης δύναμης που αναφέρει η Γκρέτα, η καθεμία έχει τους δικούς της περιορισμούς.

Η ταχύτητα του ανέμου παρουσιάζει τεράστιες διακυμάνσεις, καθιστώντας τον αναξιόπιστο για μεγάλο μέρος της ημέρας. Μπορείτε να φτιάξετε φράγματα, αλλά δεν μπορείτε να τροφοδοτήσετε ολόκληρο τον κόσμο με αυτά. Το φως του ήλιου, ωστόσο, είναι ελεύθερα διαθέσιμο κατά τη διάρκεια της ημέρας σε ολόκληρο τον πλανήτη, οπότε θα μπορούσε κανείς να αναρωτηθεί… ποια είναι η αντίρρηση εκεί; Λοιπόν, το μέγιστο Η απόδοση μιας εμπορικά διαθέσιμης ηλιακής κυψέλης που έχει καταγραφεί μέχρι σήμερα ήταν 33,7%. Αυτή ήταν μια από τις μεγαλύτερες προκλήσεις για την ηλιακή βιομηχανία, αλλά γιατί υπάρχουν τέτοιοι περιορισμοί στην απόδοση ενός ηλιακού πάνελ; Θα φτάσουμε σε αυτήν την απάντηση σύντομα, αλλά πρώτα, είναι σημαντικό για εμάς να καταλάβουμε τι ακριβώς είναι ένα ηλιακό κύτταρο.

Τι είναι ένα ηλιακό στοιχείο;

Ένα ηλιακό στοιχείο είναι μια συσκευή που συλλαμβάνει την ενέργεια του ήλιου με τη μορφή του άμεσου ηλιακού φωτός και τη μετατρέπει σε ηλεκτρική ενέργεια. Ένα ηλιακό στοιχείο είναι επίσης γνωστό ως φωτοβολταϊκό στοιχείο, που σημαίνει ότι μετατρέπει τα φωτόνια που υπάρχουν στο φως σε διαφορά τάσης (που ουσιαστικά σημαίνει «ηλεκτρική ισχύς»). Για να κατανοήσουμε τους περιορισμούς ενός ηλιακού κυττάρου, πρέπει να ρίξουμε μια πιο προσεκτική ματιά στην κατασκευή του.

Μια απλή διασταύρωση p-n (Φωτογραφία :Designua/Shutterstock)

Τα ηλιακά κύτταρα κατασκευάζονται χρησιμοποιώντας γκοφρέτες πυριτίου τύπου p και τύπου n. Μια γκοφρέτα πυριτίου τύπου p αποτελείται από περισσότερες οπές, που σημαίνει ότι στερείται ηλεκτρονίων, ενώ η γκοφρέτα τύπου n έχει περίσσεια ηλεκτρονίων. Η διεπαφή στην οποία αυτά τα δύο έρχονται σε επαφή είναι γνωστή ως διασταύρωση (μια διασταύρωση PN, για να είμαστε πιο ακριβείς). Η διασταύρωση PN είναι το κύριο δομικό στοιχείο του ηλιακού κυττάρου.

Τι εννοούμε με τον όρο απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου;

Κάθε συσκευή που χρησιμοποιούμε έχει μια συγκεκριμένη απόδοση που σχετίζεται με αυτήν. Σκεφτείτε ένα μηχάνημα που παράγει 10 μπαλόνια την ώρα. Από αυτά τα δέκα, δύο μπαλόνια αποδεικνύεται ότι έχουν μια τρύπα ή κάποιο άλλο είδος ελαττώματος. Αυτό σημαίνει ότι η απόδοση της μηχανής είναι 80%, επειδή η μηχανή παίρνει τις πρώτες ύλες που απαιτούνται για την παραγωγή 10 μπαλονιών, αλλά μετατρέπει μόνο το 80% αυτών σε χρήσιμη απόδοση. Έτσι, η απόδοση μιας συσκευής αντιπροσωπεύει το ποσό της χρήσιμης παραγωγής που παράγεται ανά μονάδα εισόδου που παρέχεται σε αυτήν.

Όλοι οι μηχανισμοί παραγωγής ενέργειας έχουν ορισμένα όρια απόδοσης. (Φωτογραφία:rawf8/Shutterstock)

Ομοίως, η προσπίπτουσα ακτινοβολία σε ένα ηλιακό στοιχείο δεν μετατρέπεται εξ ολοκλήρου σε ηλεκτρική ενέργεια. Μόνο ένα συγκεκριμένο κλάσμα αυτής της ενέργειας (ένα πολύ μικρότερο κλάσμα, όπως είδαμε ήδη) μπορεί να εξαχθεί ως χρήσιμο έργο. Υπάρχουν πολλά διαφορετικά μέτρα για την απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου, αλλά το πιο διαδεδομένο είναι το Όριο Shockley-Queisser .

Τι είναι το όριο Shockley–Queisser;

Το όριο Shockley-Queisser, ευρύτερα γνωστό ως όριο SQ, είναι το πιο σημαντικό επιστημονικό μέτρο για την απόδοση των ηλιακών κυψελών. Μετρά τη θεωρητική απόδοση ενός ηλιακού κυττάρου μονού συνδέσμου PN κάτω από τυπικές συνθήκες δοκιμής (STC). Το STC προσεγγίζει το ηλιακό μεσημέρι στις ανοιξιάτικες και φθινοπωρινές ισημερίες στις ηπειρωτικές Ηνωμένες Πολιτείες με την επιφάνεια του ηλιακού στοιχείου να στοχεύει απευθείας στον ήλιο (Όρια ηλιακής απόδοσης).

Το όριο μετράται κάτω από ορισμένες παραδοχές. Το ηλιακό στοιχείο πρέπει να είναι κατασκευασμένο από ένα μόνο είδος ομοιογενούς υλικού. Μπορεί να υπάρχει μόνο μία σύνδεση p-n ανά ηλιακό κύτταρο και θεωρείται ότι κάθε φωτόνιο που έχει ενέργεια μεγαλύτερη από το διάκενο ζώνης θα μετατραπεί σε ηλεκτρική ενέργεια. Μην ανησυχείτε αν δεν γνωρίζετε την έννοια των φωτονίων ή του bandgap, θα τα συζητήσουμε παρακάτω.

Γιατί υπάρχει όριο στην αποτελεσματικότητα;

Η διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας με χρήση ηλιακών κυψελών εξαρτάται πρωτίστως από ένα πολύ σημαντικό βήμα. Το άλμα ηλεκτρονίων από μια ζώνη σθένους (διασταύρωση PN ενός ηλιακού κυττάρου) σε μια ζώνη αγωγιμότητας (εξωτερικό κύκλωμα, όπως μια μπαταρία). Για την αναφορά σας, τα ηλεκτρόνια σε ένα κανονικό άτομο χωρίς εξωτερικά παρεχόμενη ενέργεια λέγεται ότι βρίσκονται στη ζώνη σθένους τους . Για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, αυτά τα ηλεκτρόνια πρέπει να μεταφερθούν σε ένα εξωτερικό κύκλωμα, το οποίο αναφέρεται ως ζώνη αγωγιμότητας .

Ενεργειακό χάσμα μεταξύ διαφορετικών υλικών (Φωτογραφία :udaix/Shutterstock)

Τα ηλεκτρόνια δεν μεταπηδούν μόνα τους από τη ζώνη σθένους στη ζώνη αγωγιμότητας. Ένα ορισμένο ποσό ενέργειας, γνωστό ως bandgap, πρέπει να παρέχονται για να κάνουν τη μετάβαση.

Φάσμα ζώνης ελαφρού κύματος (Πιστοποίηση φωτογραφίας :Fouad A. Saad/Shutterstock)

Τώρα, η εισερχόμενη ηλιακή ακτινοβολία αποτελείται από κύματα πολλών διαφορετικών μηκών κύματος, όπως φαίνεται στο παραπάνω φάσμα. Τα μακρύτερα κύματα προς τα αριστερά είναι τα πιο αδύναμα (με λιγότερη ενέργεια), ενώ τα μικρότερα κύματα προς τα δεξιά είναι πιο ισχυρά. Ως εκ τούτου, μόνο μερικά από αυτά τα κύματα διαθέτουν την απαραίτητη ενέργεια για να ξεπεράσουν το ενεργειακό φράγμα.

Ας ρίξουμε μια ματιά σε ένα παράδειγμα για να έχουμε μια καλύτερη εικόνα της προαναφερθείσας διαδικασίας. Σκεφτείτε ένα πακέτο φωτονίων (σωματίδια φωτός) που αποτελείται από 100 κύματα διαφορετικού μήκους κύματος που χτυπούν ένα ηλιακό κύτταρο κατασκευασμένο από πυρίτιο. Από αυτά τα 100 κύματα, τα 40 κύματα έχουν το ενεργειακό ισοδύναμο του διάκενου ζώνης του πυριτίου, και έτσι θα είναι σε θέση να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια. Τα υπόλοιπα κύματα είτε θα διαλυθούν ως θερμότητα είτε θα αναπηδήσουν πίσω από την επιφάνεια του κυττάρου. Έτσι, υπάρχει ένα όριο στην απόδοση μιας ηλιακής κυψέλης.

Ποιοι είναι οι άλλοι παράγοντες που επηρεάζουν την αποτελεσματικότητα;

Όπως είδαμε, το κατώφλι ενεργειακό φράγμα για την ηλεκτρονική μετάβαση αποδεικνύεται ότι είναι ο πρωταρχικός λόγος για τη χαμηλή απόδοση των ηλιακών πάνελ. Ωστόσο, δεν είναι ο μόνος παράγοντας που την επηρεάζει. Υπάρχουν πολλά άλλα στοιχεία που παίζουν σημαντικό ρόλο εδώ.

Το στρώμα του όζοντος εμποδίζει τις ακτίνες UV υψηλής ενέργειας να φτάσουν στην επιφάνεια. (Φωτογραφία :Designua/Shutterstock)

Η ενέργεια που φεύγει από τον ήλιο και αυτή που λαμβάνουμε εδώ στη γη δεν είναι η ίδια. Αυτό συμβαίνει επειδή η ακτινοβολία πρέπει να ταξιδέψει μέσα από την παχιά ατμόσφαιρα που περικλείει τον πλανήτη μας. Τώρα, διαφορετικά φαινόμενα όπως η σκέδαση και η διάθλαση του φωτός μειώνουν την έντασή του. Το στρώμα του όζοντος εμποδίζει την επιβλαβή υπεριώδη ακτινοβολία να φτάσει σε εμάς (αυτά τα κύματα είναι επιβλαβή για εμάς καθώς διαθέτουν περισσότερη ενέργεια και ως εκ τούτου μπορούν να βλάψουν τα κύτταρα των ματιών μας). Ωστόσο, αυτά είναι τα κύματα που μπορούν να διασχίσουν την ενέργεια κατωφλίου και φτάνουν στην επιφάνεια αραιά, προκαλώντας έτσι και πάλι μείωση της απόδοσης των ηλιακών συλλεκτών.

Υπάρχει κάποια λύση στο πρόβλημα;

Παρόλο που οι περισσότερες εμπορικές ηλιακές κυψέλες, που είναι προς το παρόν διαθέσιμες σε εμάς, δεν μπορούν να ξεπεράσουν το όριο του 33% όσον αφορά τη μετατροπή, το μέλλον φαίνεται λαμπρό. Ερευνητές που εργάζονται σε υλικά περοβσκίτη για εύκαμπτα LED και ηλιακά κύτταρα επόμενης γενιάς στο Πανεπιστήμιο του Κέιμπριτζ ανακάλυψαν ότι μπορούν να είναι πιο αποτελεσματικά όταν οι χημικές τους συνθέσεις είναι λιγότερο διατεταγμένες (κάτι εκτός του πεδίου αυτού του άρθρου), απλοποιώντας κατά πολύ τις διαδικασίες παραγωγής και μείωση του κόστους-Physics.org.

Και πάλι, επιστήμονες σε όλο τον κόσμο εργάζονται σε νεότερα υλικά όπως το νιτρίδιο του γάλλιου, το γερμάνιο, το φωσφίδιο του ινδίου και άλλα. Πολλοί πιστεύουν ότι αυτά τα υλικά θα χρησιμοποιήσουν αποτελεσματικά ολόκληρο το ηλιακό φάσμα για να μετατραπούν σε ηλεκτρική ενέργεια, αλλάζοντας τα όρια ζώνης των ηλιακών κυψελών πολλαπλών συνδέσεων. Συνολικά, το μέλλον φαίνεται λαμπρό για την ηλιακή βιομηχανία.

Μια τελευταία λέξη

Οι πυρκαγιές στην Αυστραλία και στον Αμαζόνιο έχουν απελευθερώσει μια απίστευτη ποσότητα άνθρακα στην ατμόσφαιρα, τόσο που ο πλανήτης μας μπορεί να μην είναι σε θέση να τον απορροφήσει μέχρι το 2050. Η υπερθέρμανση του πλανήτη δεν αποτελεί πλέον μελλοντικό πρόβλημα. είναι μια πλήρης πραγματικότητα και δεν υπάρχει λόγος να το αρνηθούμε. Οι περιβαλλοντολόγοι έχουν εξαντληθεί λέγοντας στον κόσμο ότι η πράσινη ενέργεια είναι ο μόνος δρόμος προς τα εμπρός, ωστόσο ορισμένοι ηγέτες εξακολουθούν να αμφισβητούν την αλήθεια.

Η χαμηλότερη απόδοση των ηλιακών κυψελών έχει συνήθως αναφερθεί ως ο λόγος για τη μη χρήση τους ως υποκατάστατα των ορυκτών καυσίμων. Ωστόσο, το πρόβλημα είναι ότι οι πολυεθνικές και οι κυβερνήσεις συνεχίζουν να καταβάλλουν τεράστια ποσά για την έρευνα και την ανάπτυξη της παραγωγής ενέργειας με βάση το πετρέλαιο και τον άνθρακα, παραμελώντας την έρευνα και τη βελτίωση των πιο πράσινων και ασφαλέστερων εναλλακτικών λύσεων. Για παράδειγμα, έχουν υπάρξει ανακαλύψεις υλικών με χαμηλότερο ενεργειακό διάκενο που μπορούν να λειτουργήσουν ως πιθανή λύση στο πρόβλημα που αντιμετωπίζουμε, αλλά χρειαζόμαστε τον κόσμο να δώσει προσοχή και να επενδύσει σε αυτού του είδους την έρευνα!

Αυτό που πρέπει να καταλάβει και να αποδεχθεί ο κόσμος είναι ότι υπάρχει μόνο ένας δρόμος προς τα εμπρός αν θέλουμε το είδος μας να επιβιώσει—ο πράσινος και βιώσιμος τρόπος!