Solceller

nå For flere detaljer…

det er en grunnleggende introduksjon til solceller—og hvis det er alt du ville, kan du stoppe her.Resten av denne artikkelen går i mer detalj om ulike typer solceller, howpeople setter solenergi til praktisk bruk, og hvorfor solenergi tar så lang tid å fange på.

hvor effektive er solceller?

Diagram: Effektivitet av solceller sammenlignet: den aller første solcellen skrapt inn med bare 6 prosent effektivitet; den mest effektive som er produsert til dags dato klarte 46 prosent i laboratorieforhold. De fleste celler er første generasjons typer som kan håndtere om lag 15 prosent i teorien og sannsynligvis 8 prosent i praksis.en grunnleggende regel i fysikk kalt loven om bevaring av energi sier at vi ikke magisk kan skape energi eller få den til å forsvinne i tynn luft; alt vi kan gjøre er å konvertere den fra en form til en annen. Det betyr at en solcelle ikke kan produsere mer elektrisk energi enn den mottar hvert sekund som lys. I praksis,som vi snart ser, konverterer de fleste celler om 10-20 prosent av energien de mottar til elektrisitet. En typisk, single-junction silisium solarcell har en teoretisk maksimal effektivitet på ca 30 prosent, kjent som shockley-Queisser grense. Det er i hovedsak fordi sollys inneholder en bred blanding av fotoner med forskjellige bølgelengder og energi, og en hvilken som helst solcelle vil bli optimalisert for å fange fotoner bare innenfor et bestemt frekvensbånd, og kaste bort resten.Noen av fotonene som rammer en solcelle har ikke nokenergi til å slå ut elektroner, så de er effektivt bortkastet, mens noen har for mye energi, og overskuddet er også bortkastet. De aller beste, banebrytende laboratoriecellene kan klare 46 prosenteffektivitet i helt perfekte forhold ved hjelp av flere veikryss for å fange fotoner av forskjellige energier.Real-world innenlandske solcellepaneler kan oppnå en effektivitet på rundt 15 prosent, gi et prosentpoeng her eller der, og det er usannsynlig å bli mye bedre.Første generasjon, single-junction solceller kommer ikke til å nærme seg 30 prosent effektivitet Av Shockley-Queisser grensen, never mindthe lab rekord på 46 prosent. Alle slags irriterende virkelige faktorer vil spise i den nominelle effektiviteten, inkludert konstruksjonen av panelene, hvordan de er plassert og fanget, om de noen gang er i skygge, hvor rent du holder dem, hvordan de blir (økende temperaturer har en tendens til å senke effektiviteten), og om de er ventilert (slik at luften sirkulerer under)for å holde dem kule.

typer fotovoltaiske solceller

De Fleste solceller du ser på folks tak i dag, er i hovedsak bare silisiumsmørbrød, spesielt behandlet («dopet»)for å gjøre dem bedre elektriske ledere. Forskere refererer til disse klassiske solceller som første generasjon, i stor grad å skille dem fra to forskjellige, mer moderne teknologier kjent som andre og tredje generasjon. Så hva er forskjellen?

Første generasjon

Foto: en fargerik samling av første generasjons solceller.Bilde gjengitt av NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).Omtrent 90 prosent av verdens solceller er laget av wafersav krystallinsk silisium( forkortet c-Si), skåret fra store ingots, som dyrkes i super-rene laboratorier i en prosess som kanta opptil en måned å fullføre. Ingots enten ta form avenkeltkrystaller (monokrystallinsk Eller mono-si) eller inneholder flere krystaller (polykrystallinsk,multi-Si eller poly c-Si). Første generasjons solceller fungerer som we ‘ veshown i boksen opp over: de bruker en enkelt, enkel kryssmellom n-type og p-type silisiumlag, som er skåret fraseparate ingots. Så en n-type ingot ville bli laget ved å varme chunksof silisium med små mengder fosfor, antimon eller arsen som dopant, mens en p – type ingot ville bruke bor som dopant.Skiver av n-type og p-type silisium blir deretter smeltet for å gjøre funksjonen. Noen flere bjeller og fløyter blir lagt til (som anantireflekterende belegg, noe som forbedrer lysabsorpsjonen og girfotovoltaiske celler deres karakteristiske blå farge, beskyttende glasspå forsiden og en plastbakside og metallforbindelser slik at cellen kan kobles til en krets), men et enkelt pn-kryss er essensen av de fleste solceller. Det er ganske mye hvordan alle fotovoltaiske silisiumsolarceller har jobbet siden 1954, som var da forskere Ved Bell Labspionerte teknologien: skinnende sollys på silisium ekstrahert frasand, de genererte elektrisitet.

Andre generasjon

Foto: et tynnfilm, andre generasjons solar » panel.»Den kraftgenererende filmen er laget av amorf silisium, festet til en tynn, fleksibel og relativt billig plastunderlag («substratet»).Bilde Av Warren Gretz courtesy OF NREL (bilde id #6321083).

Klassiske solceller er relativt tynne wafere-vanligvis afraction av en millimeter dyp(ca 200 mikrometer, 200µ eller så).Men de er absolutte plater i forhold til andre generasjons celler, populært kjent som tynnfilmsolceller (TPSC) orthin-film photovoltaics (TFPV), som er omtrent 100 gangstinner igjen (flere mikrometer eller milliondeler av en meter dyp).Selv om de fleste fortsatt er laget av silisium (en annen form kjent som amorf silisium, a-Si, hvor atomer er ordnet tilfeldig i stedet for nettopp bestilt i en vanlig krystallinsk struktur), er noen laget av andre materialer, spesielt kadmium-telluride (Cd-Te) og copper indium gallium diselenid (CIGS). Fordi de er ekstremt tynne, lette og fleksible, kan andre generasjons solceller belamineres på vinduer, takvinduer, takfliser og alle slags «underlag» (underlag), inkludert metaller, glass og polymerer (plast). Hvilke andre generasjons celler får fleksibilitet, ofrer de ineffektivitet: klassiske, første generasjons solceller overgår dem fortsatt. Så mens en førsteklasses første generasjons celle kan oppnå anefficiency på 15-20 prosent, amorf silisium sliter med å komme over7 prosent, klarer de beste tynnfilm Cd-Te-cellene bare 11 prosent, OG CIGS-celler gjør ikke noe bedre enn 7-12 prosent. Det er enårsak hvorfor, til tross for deres praktiske fordeler, andre generasjonceller har så langt gjort relativt liten innvirkning på solmarkedet.

Tredje generasjon

Bilde: Tredje generasjon plast solceller produsert av forskere Ved National Renewable Energy Laboratory.Bilde Av Jack Dempsey courtesy OF NREL (bilde id #6322357).

Den nyeste teknologien kombinerer de beste funksjonene til første ogandre generasjons celler. Som første generasjons celler lover derelativt høy effektivitet (30 prosent eller mer). I likhet med andre generasjons celler, er de mer sannsynlig å bli laget av andre materialer enn «enkelt» silisium, som amorf silisium, organiske polymerer (organisk fotovoltaikk, OPVs), perovskite krystaller,og har flere veikryss (laget av flere lag av forskjellige halvledermaterialer). Ideelt sett ville det gjøre dem billigere, mer effektive og mer praktiske enn enten første – eller andre generasjons celler.For tiden er verdensrekordeffektiviteten for tredje generasjon solaris 28 prosent, oppnådd av en perovskite-silisium tandem solcelle i desember 2018.

Hvor mye strøm kan vi gjøre med solceller?

i teorien, en stor mengde. La oss glemme solceller for øyeblikketog bare vurdere rent sollys. Opptil 1000 watt rå solkraft hver kvadratmeter Jord peker direkte mot Solen—det er den teoretiske kraften til direkte sollys midt på dagen på en skyfri dag – med solstrålene som skyter vinkelrett På Jordens overflate og gir maksimal belysning eller isolasjon, som det er teknisk kjent). I praksis, etter at vi har korrigert for tiltof planeten og tidspunktet på dagen, det beste vi er sannsynlig å få ismaybe 100-250 watt per kvadratmeter i typiske nordlige breddegrader (selv på en skyfri dag). Det oversetter til ca 2-6 kWh per dag(avhengig av om du er i en nordlig region Som Canada orScotland eller et sted mer forpliktende som Arizona eller Mexico).Multiplikasjon opp for et helt års produksjon gir oss et stedmellom 700 og 2500 kWh per kvadratmeter (700-2500 enheter avelektrisitet). Varmere regioner har tydeligvis mye større solpotensial: Midtøsten mottar for Eksempel rundt 50-100 prosent mer nyttig solenergi hvert år Enn Europa.Dessverre er typiske solceller bare om lag 15 prosenteffektiv, så vi kan bare fange en brøkdel av denne teoretiskeenergien. Derfor må solcellepaneler være så store: mengden strøm du kan lage er åpenbart direkte relatert til hvor mye område du har råd til å dekke med celler. En enkelt solcelle (omtrent størrelsenav en kompakt plate) kan generere ca 3-4, 5 watt; en typisk solarmodul laget av en rekke ca 40 celler (5 rader med 8celler) kan gjøre ca 100-300 watt; flere solcellepaneler, hverlaget fra ca 3-4 moduler, kan derfor generere et absolutemaksimum flere kilowatt (sannsynligvis akkurat nok til å møte et hjemmebehov).

hva med solenergi gårder?

men anta at vi vil lage virkelig store mengder solkraft. For å generere så mye strøm som en heftig vindturbin (meden toppeffekt på kanskje to eller tre megawatt), trenger du ca.500–1000 soltak. Og for å konkurrere med et stort kull-eller kjernekraftverk (vurdert i gigawatt, som betyr tusen megawattsor milliarder watt), trenger du 1000 ganger så mange igjen—det tilsvarer omtrent 2000 vindturbiner eller kanskje en million soltak. (Disse sammenligningene antar at sol og vind produserer maksimal effekt.) Selv om solceller er rene og effektive kilder til kraft, er en ting de egentlig ikke kan hevde å være for øyeblikket effektive land. Selv de store solgårdene som nå springer opp over alt, produserer bare beskjedne mengder strøm (vanligvis ca 20 megawatt, eller ca 1 prosent som et stort, 2 gigawatt kull-eller atomkraftverk). UK renewablecompany Ecotricity har anslått at det tar ca 22.000 paneler lagt over a12 hektar (30 hektar) område for å generere 4, 2 megawatt strøm, omtrent like mye som to store vindturbiner og nok til å drive 1200 boliger.

Strøm til folket

Bilde: En mikro-vindturbin og et solcellepanel arbeider sammen for å drive en bank med batterier som holder denne motorveien konstruksjon advarselsskilt opplyst dag og natt. Solpanelet er montert, vendt opp mot himmelen, på det flate gule «lokket» du kan se bare på toppen av skjermen.

Noen mennesker er bekymret for at solenergi gårder vil sluke opp land weneed for ekte oppdrett og matproduksjon. Bekymre seg forland-ta savner et viktig punkt hvis vi snakker om å sette solarpaneler på hustak. Miljøvernere vil hevde detdet virkelige poenget med solenergi er ikke å skape store, sentralisertesolkraftverk (så kraftige verktøy kan fortsette å selgeelektrisitet til maktløse mennesker med høy fortjeneste), men å forflytte segskitne, ineffektive, sentraliserte kraftverk ved å la folk tilgjøre makt selv på det stedet der de bruker det. Det eliminerer ineffektiviteten til kraftproduksjon av fossilt brensel, luftforurensning og karbondioksidutslipp de gjør, og fjerner også ineffektiviteten ved å overføre kraft fra generasjonspunktet til bruksstedet gjennom overhead eller underjordiske kraftledninger. Selv om du må dekke hele taket ditt med solcellepaneler (eller laminat tynnfilmsolceller på alle vinduene dine), hvis du kunne møte hele strømbehovet ditt (eller til og med en stor del av dem), ville det ikke ha noe å si: taket ditt er bare bortkastet plass uansett.Ifølge en rapport Fra 2011 fra Den Europeiske Fotovoltaiske Industriforeningen Og Greenpeace er det ikke noe reelt behov for å dekke verdigård med solcellepaneler: rundt 40 prosent av alle tak og 15 prosent av bygningsfasader i EU-land vil være egnet For Pvpaneler, noe som vil utgjøre omtrent 40 prosent av totalelektrisitetsbehovet innen 2020.

det er viktig å ikke glemme at solenergi skifter kraftproduksjon tilstrømforbruket-og det har store praktiskefordeler. Soldrevne armbåndsur og kalkulatorer teoretisktrenger ingen batterier (i praksis har de batteribackup) og mange av oss ville nyte soldrevne smarttelefoner som aldri trengte lading. Vei-og jernbaneskilt er nå noen ganger soldrevne; blinkende nødvedlikeholdsskilt har ofte solcellepaneler fittedså de kan distribueres på selv de fjerneste stedene. Indeveloping land, rik på sollys, men dårlig i elektriskinfrastruktur, solcellepaneler driver vannpumper,telefonbokser og kjøleskap på sykehus og helseklinikker.

Hvorfor har ikke solenergi fanget på ennå?

svaret på det er en blanding av økonomiske, politiske ogteknologiske faktorer. Fra det økonomiske synspunktet, i de flesteland, er elektrisitet generert av solcellepaneler fortsatt dyrere enn elektrisitet laget ved å brenne skitne, forurensende fossile brensler. Verden har en stor investering i fossilfuel infrastruktur, og selv om kraftige oljeselskaper har dabbledin solenergi offshoots, virker de mye mer interessert i å forlenge levetiden til eksisterende olje-og gassreserver med teknologier som fracking (hydraulisk brudd). Politisk er olje -, gass-og kullselskaper enormt kraftige og innflytelsesrike og motstår den slags miljøforskrifter som favoriserer fornybare teknologier som sol og vindkraft. Teknologisk, som vi allerede har sett, er solceller apermanent «work in progress» og mye av verdens solarinvestering er fortsatt basert på første generasjons teknologi. Hvem vet, kanskje det vil ta flere tiår før nyere vitenskapelige fremskritt gjør business case for solar virkelig overbevisende?Et problem med slike argumenter er at de bare veier opp grunnleggende økonomiske og teknologiske faktorer og unnlater å vurdere skjulte miljøkostnader for ting som oljeutslipp,luftforurensning, ødeleggelse av land fra kullgruvedrift eller klimatendring—og spesielt de fremtidige kostnadene, som er vanskelige eller umulige å forutsi. Det er fullt mulig at økende bevissthet om disse problemene vil fremskynde bryteren bort fra fossile brensler, selv om det ikke er noen videre teknologiske fremskritt; med andre ord, kan tiden komme når vi ikke lenger har råd til å utsette universaladoption av fornybar energi. Til slutt er alle disse faktorenesammenhengende. Med overbevisende politisk lederskap kunne verden forplikte seg til en solrevolusjon i morgen: politikk kan tvinge teknologiske forbedringer som forandrer økonomien til solenergi.

og økonomi alene kan være nok. Tempoet i teknologi, innovasjoner i produksjon, og stordriftsfordeler fortsette å kjøre ned thecost av solceller og paneler. Mellom 2008 og 2009 alene,ifølge BBCS miljøanalystroger Harrabin, falt prisene med om lag 30 prosent,Og Kinas økende dominans av solproduksjonhar fortsatt å drive dem ned siden.Mellom 2010 og 2016 falt kostnaden for storskala fotovoltaikk med om lag 10-15 prosent per år, ifølge US Energy Information Administration; samlet sett har prisen på å bytte til solenergi falt med rundt 90 prosent i det siste tiåret, noe som ytterligere sementerer Kinas grep på markedet. Seks av verdens ti beste solprodusenter er Nå Kinesiske; i 2016 kom rundt to tredjedeler AV DEN nye amerikanske solenergikapasiteten fra Kina, Malaysia og Sør-Korea.

Fanger opp raskt?

vippepunktet for solenergi forventes å ankomme når det kan oppnå noe som kalles gridparitet, noe som betyr at solenergigenerert elektrisitet du lager deg selv, blir så billig somkraft du kjøper fra nettet. Mange Europeiske land forventer åoppnå den milepælen innen 2020. Solar har sikkert lagt ut veldigimponerende vekstrater de siste årene, men det er viktig å huske at det fortsatt representerer bare en brøkdel av total worldenergy. I STORBRITANNIA, for EKSEMPEL, solindustrien skrøt av en «milepæl prestasjon» i 2014 da det nesten doblet totalinstallert kapasitet på solcellepaneler fra omtrent 2,8 GW til 5 GW. Men det representerer fortsatt bare et par store kraftverk, og atmaksimal produksjon, bare 8 prosent AV STORBRITANNIAS totalelektrisitetsbehov på omtrent 60 GW (factoring i ting som cloudiness ville redusere det til en brøkdel av 8 prosent).ifølge US Energy Information Administration, i Usa, hvor fotovoltaisk teknologi ble oppfunnet, fra 2018, representerer solenergi bare 1, 6 prosent av landets totale elektrisitetsproduksjon.Det er omtrent 23 prosent opp fra 2017 (da solenergi var 1, 3 prosent), 80 prosent opp på 2016 (da tallet var 0, 9 prosent)og omtrent fire ganger så mye som i 2014 (da solenergi stod på bare 0, 4 prosent).Likevel er det fortsatt omtrent 20 ganger mindre enn kullog 40 ganger mindre enn alle fossile brensler. Med andre ord, selv en 10 ganger økning I amerikansk solenergi ville se det produsere ikke mye mer enn halvparten så mye elektrisitet som kull gjør i dag (10 × 1.6 = 16 prosent, sammenlignet med 27.4 prosent for kull i 2018). To av VERDENS største årlige energivurderinger,BP Statistical Review of World Energy og InternationalEnergy Agency ‘ S Key World Energy Statistics, nevner knapt solarpower i det hele tatt, bortsett fra som en fotnote.

Diagram: Solenergi gjør mer av vår elektrisitet hvert år, men fortsatt ikke nær så mye som kull. Dette diagrammet sammenligner prosentandelen elektrisitet generert i Usa av solarpower (grønn linje) og kull (rød linje). Stillingen er bedre enn dette i noen land og verre i andre.Tegnet av explainthatstuff.com bruk av historiske og nåværende data FRA Us Energy Information Administration.

vil det endre seg når som helst snart? Det bare kan. Ifølge et 2016-papir av forskere fra Oxford University,faller kostnaden for sol nå så fort at det er på kurs å gi 20 prosent av verdens energibehov innen 2027, noe som ville være en skritt endring fra hvor vi er i dag,og en langt raskere vekst enn noen tidligere har forventet. Kan det tempoet i veksten muligens fortsette? Kan solenergi virkelig gjøre en forskjell for klimaendringene før det er for sent? Se denne plassen!

en kort historie av solceller

• 1839: Den franske fysikeren Alexandre-Edmond Becquerel (Far til radioaktivitetspioneren Henri Becquerel) oppdager at noen metaller er fotoelektriske: de produserer elektrisitet når de blir utsatt for lys.1873: den engelske ingeniøren Willoughby Smith oppdager at selen er en spesielt effektiv fotoleder (den brukes senere av Chester Carlson i sin oppfinnelse av kopimaskinen).1905: den tyskfødte fysikeren Albert Einstein finner ut fysikken i den fotoelektriske effekten, en oppdagelse som til Slutt gir Ham En Nobelpris.
• 1916: Den amerikanske fysikeren Robert Millikan beviser Einsteins teori eksperimentelt.1940: Russell Ohl Fra Bell Labs oppdager ved et uhell at en dopet junction semiconductor vil produsere en elektrisk strøm når den blir utsatt for lys.1954: Bell Labs-forskerne Daryl Chapin, Calvin Fuller og Gerald Pearson lager den første praktiske fotovoltaiske silisiumsolcellen, som er omtrent 6 prosent effektiv (en senere versjon styrer 11 prosent). De annonserer sin oppfinnelse-opprinnelig kalt «solbatteriet» – 25. April.
• 1958: Romsatellittene Vanguard, Explorer og Sputnik begynner å bruke solceller.1962: 3600 Av Bells solbatterier brukes Til å drive Telstar, den banebrytende telekommunikasjonssatellitten.1997: DEN Amerikanske Føderale regjeringen kunngjør Sitt Million Solar Roofs initiative – å bygge en million soldrevne tak av 2010.2002: NASA lanserer Sin Pathfinder plus solar plane.2009: Forskere oppdager at perovskittkrystaller har stort potensial som tredje generasjons fotovoltaiske materialer.
• 2014: Et samarbeid mellom tyske og franske forskere produserer en ny rekord på 46 prosent effektivitet for en fire-krysset solcelle.
• 2020: Solceller forventes å oppnå nettparitet (solgenerert elektrisitet du lager selv vil være like billig som strøm du kjøper fra nettet).
• 2020: Perovskite-silisiumceller lover en stor økning i solenergi effektivitet.