celule solare

acum pentru mai multe detalii…

aceasta este o introducere de bază pentru celulele solare—și dacă asta e tot ce ai vrut, te poți opri aici.Restul acestui articol merge în mai multe detalii despre diferite tipuri de celule solare, howpeople sunt punerea energiei solare la utilizarea practică, și de ce energia solară este de a lua o astfel de lungă perioadă de timp pentru a prinde pe.

cât de eficiente sunt celulele solare?

Diagramă: Eficiența celulelor solare a fost comparată: prima celulă solară s-a răzuit cu o eficiență de doar 6%; Cea mai eficientă care a fost produsă până în prezent a reușit 46% în condiții de laborator. Majoritatea celulelor sunt tipuri de prima generație care pot gestiona aproximativ 15% în teorie și probabil 8% în practică.

o regulă de bază a fizicii numită legea conservării energiei spune că nu putem crea în mod magic energie sau să o facem să dispară în aer subțire; tot ce putem face este să o transformăm dintr-o formă în alta. Asta înseamnă că o celulă solară nu poate produce mai multă energie electrică decât primește fiecare secundă ca lumină. În practică,după cum vom vedea în scurt timp, majoritatea celulelor convertesc aproximativ 10-20% din energia pe care o primesc în electricitate. Un silicon solarcell tipic, cu o singură joncțiune, are o eficiență teoretică maximă de aproximativ 30 la sută, cunoscută sub numele delimita Shockley-Queisser. Acest lucru se datorează în principal faptului că lumina soarelui conține un amestec larg de fotoni de diferite lungimi de undă și energii și orice celulă solară cu o singură joncțiune va fi optimizată pentru a captura fotonii numai într-o anumită bandă de frecvență, irosind restul.Unii dintre fotonii care lovesc o celulă solară nu au suficientă energie pentru a elimina electronii, deci sunt efectiv irosiți, în timp ce unii au prea multă energie, iar excesul este, de asemenea, irosit. Cele mai bune celule de laborator de ultimă oră pot gestiona 46% eficiență în condiții absolut perfecte folosind mai multe joncțiuni pentru a prinde fotoni de energii diferite.

panourile solare interne din lumea reală ar putea atinge o eficiență de aproximativ 15%, oferind un punct procentual aici sau acolo, și este puțin probabil să se îmbunătățească mult.Celulele solare de primă generație, cu o singură joncțiune, nu se vor apropia de eficiența de 30% a limitei Shockley-Queisser, nu contează recordul de laborator de 46%. Tot felul de factori plictisitori din lumea reală vor mânca în eficiența nominală,inclusiv construcția panourilor, modul în care acestea sunt poziționate și încurcate, dacă sunt vreodată în umbră, cât de curate le păstrați, cât de fierbinți devin (temperaturile în creștere tind să le scadă eficiența) și dacă sunt ventilate (permițând aerului să circule dedesubt)pentru a le menține reci.

tipuri de celule solare fotovoltaice

majoritatea celulelor solare pe care le veți vedea astăzi pe acoperișurile oamenilor sunt în esență doar sandwich-uri de siliciu, tratate special („dopate”)pentru a le face conductori electrici mai buni. Oamenii de știință se referă la aceste celule solare clasice ca fiind prima generație, în mare parte pentru a le diferenția de două tehnologii diferite, mai moderne, cunoscute sub numele de a doua și a treia generație. Deci, care este diferența?

prima generație

foto: o colecție colorată de celule solare de primă generație.Imagine prin amabilitatea NASA Glenn Research Center (NASA-GRC).aproximativ 90% din celulele solare din lume sunt fabricate din wafersof siliciu cristalin (abreviat c-Si), feliat din lingouri mari,care sunt cultivate în laboratoare super-curate într-un proces care poatesă dureze până la o lună pentru a fi finalizat. Lingourile fie iau formacristale unice (monocristaline sau mono-si) sau conțin cristale multiple (policristaline,multi-Si sau poli C-Si). Prima generație de celule solare funcționează ca we ‘ veshown în caseta de mai sus: ei folosesc o singură joncțiune simplăîntre straturile de siliciu de tip n și p, care sunt tăiate dinlingouri separate. Deci, un lingou de tip N ar fi realizat prin încălzirea bucăților de siliciu cu cantități mici de fosfor, antimoniu sau arsenic ca dopant, în timp ce un lingou de tip p ar folosi borul ca dopant.Felii de siliciu de tip N și de tip p sunt apoi topite pentru a face joncțiunea. Se mai adaugă câteva clopote și fluiere (cum ar fi o acoperire antireflexivă, care îmbunătățește absorbția luminii și conferă celulelor fotovoltaice culoarea lor albastră caracteristică, sticlă de protecțiepe față și un suport din plastic și conexiuni metalice, astfel încât celula să poată fi conectată într-un circuit), dar o simplă joncțiune p-n este esența majorității celulelor solare. Este destul de mult modul în care toate solarcelulele fotovoltaice de siliciu au funcționat din 1954, când oamenii de știință de la Bell Labspionered tehnologia: strălucirea soarelui pe siliciu extras din nisip, au generat electricitate.

A doua generație

foto: un panou solar „cu film subțire, de a doua generație.”Filmul generator de energie este realizat din siliciu amorf, fixat pe un suport din plastic subțire, flexibil și relativ ieftin („substratul”).Fotografie de Warren Gretz prin amabilitatea NREL (id imagine #6321083).

celulele solare clasice sunt plachete relativ subțiri—de obicei o afracție de un milimetru adâncime (aproximativ 200 micrometri, 200 micrometri sau cam așa ceva).Dar sunt plăci absolute în comparație cu celulele de a doua generație, cunoscute popular sub numele de celule solare cu film subțire (TPSC) sau fotovoltaice cu film subțire (TFPV), care sunt din nou de aproximativ 100 de ori mai subțiri (câțiva micrometri sau milioane de metri adâncime).Deși majoritatea sunt încă fabricate din siliciu (o formă diferită cunoscută sub numele de siliciu amorf, a-Si, în care atomii sunt aranjați aleatoriu în loc de ordonați precis într-o structură cristalină regulată), unii sunt fabricați din alte materiale, în special cadmiu-telurură (Cd-Te) șicupru indiu galiu diselenidă (CIGS). Deoarece sunt extrem de subțiri, ușoare și flexibile, celulele solare de a doua generație pot fi laminate pe ferestre, luminatoare, plăci de acoperiș și tot felul de”substraturi” (materiale de susținere), inclusiv metale, sticlă și polimeri (materiale plastice). Ceea ce câștigă celulele de a doua generație în flexibilitate, sacrifică ineficiența: celulele solare clasice, de prima generație, încă le depășesc. Deci, în timp ce o celulă de primă generație de top ar putea atinge o eficiență de 15-20%, siliciul amorf se luptă să obțină peste 7%, cele mai bune celule Cd-te cu film subțire gestionează doar aproximativ 11%, iar celulele CIGS nu se descurcă mai bine de 7-12%. Acesta este unulmotivul pentru care, în ciuda avantajelor lor practice, celulele de a doua generație au avut până acum un impact relativ redus asupra pieței solare.

A treia generație

fotografie: A treia generație de celule solare din plastic produse de cercetătorii de la Laboratorul Național de energie regenerabilă.Fotografie de Jack Dempsey prin amabilitatea NREL (id imagine #6322357).

cele mai noi tehnologii combină cele mai bune caracteristici ale primei și celei de-a doua generații de celule. Ca și celulele de primă generație, promiteficiențe relativ ridicate (30% sau mai mult). La fel ca celulele de a doua generație, este mai probabil să fie fabricate din alte materiale decât siliciul „simplu”, cum ar fi siliciul amorf, polimerii organici (făcând fotovoltaice organice, OPV), cristale de perovskit și prezintă mai multe joncțiuni (realizate din mai multe straturi de materiale semiconductoare diferite). În mod ideal, acest lucru le – ar face mai ieftine, mai eficiente și mai practice decât celulele din prima sau a doua generație.În prezent, eficiența record mondial pentru a treia generație solaris 28 la sută, realizat de o celulă solară Tandem perovskit-siliciu în decembrie 2018.

câtă energie putem face cu celulele solare?

în teorie, o cantitate imensă. Să uităm celulele solare pentru momentși ia în considerare doar lumina soarelui pură. Până la 1000 de wați de energie solară brută, fiecare metru pătrat de pământ îndreptat direct spre soare (aceasta este puterea teoretică a luminii solare directe de la amiază într—o zi fără nori-cu razele solare care ard perpendicular pe suprafața Pământului și dau iluminare maximă sau insolație, așa cum este cunoscut din punct de vedere tehnic). În practică, după ce am corectat înclinarea planetei și ora din zi, cel mai bun lucru pe care îl vom obține estepoate fi de 100-250 wați pe metru pătrat în latitudinile nordice tipice(chiar și într-o zi fără nori). Acest lucru se traduce în aproximativ 2-6 kWh pe zi (în funcție de faptul dacă vă aflați într-o regiune de Nord, cum ar fi Canada sauscotland sau undeva mai obligatoriu, cum ar fi Arizona sau Mexic).Înmulțirea producției pentru un an întreg ne dă undeva între 700 și 2500 kWh pe metru pătrat (700-2500 unități de energie electrică). Regiunile mai calde au în mod clar un potențial solar mult mai mare: Orientul Mijlociu, de exemplu, primește în jur de 50-100% mai multă energie solară utilă în fiecare an decât Europa.

Din păcate, celulele solare tipice sunt doar aproximativ 15% eficiente, astfel încât putem capta doar o fracțiune din această energie teoretică. De aceea, panourile solare trebuie să fie atât de mari: cantitatea de energie pe care o puteți face este, evident, direct legată de cât de multă zonă vă puteți permite să acoperiți cu celule. O singură celulă solară (aproximativ dimensiunea unui disc compact) poate genera aproximativ 3-4, 5 wați; un solarmodule tipic realizat dintr-o serie de aproximativ 40 de celule (5 rânduri de 8 celule) ar putea face aproximativ 100-300 wați; prin urmare, mai multe panouri solare, realizate din aproximativ 3-4 module, ar putea genera un maxim absolut de câțiva kilowați (probabil suficient pentru a satisface nevoile de energie ale unei case).

cum rămâne cu fermele solare?

foto: vastul proiect de generare solară Alamosa de 91 de hectare (225 de acri) din Colorado generează până la 30 de megawați de energie solară folosind trei trucuri viclene. În primul rând, există un număr mare de panouri fotovoltaice (500 dintre ele, fiecare capabilde a face 60kW). Fiecare panou este montat pe un ansamblu separat, rotativ, astfel încât să poată urmări soarele prin cer.Și fiecare are mai multe lentile Fresnel montate deasupra pentru a concentra razele soarelui pe celulele sale solare.Fotografie de Dennis Schroeder prin amabilitatea NREL (id imagine #10895528).dar să presupunem că vrem să producem cantități foarte mari de energie solară. Pentru a genera la fel de multă energie electrică ca o turbină eoliană puternică (cuo putere maximă de două sau trei megawați), aveți nevoie de aproximativ500–1000 acoperișuri solare. Și pentru a concura cu o centrală mare de cărbune sau energie nucleară (evaluată în gigawați, ceea ce înseamnă mii de megawați sau miliarde de wați), ai avea nevoie din nou de 1000 de ori mai multe—echivalentul a aproximativ 2000 de turbine eoliene sau poate un milion de acoperișuri solare. (Aceste comparații presupun că energia noastră solară și eoliană produc o putere maximă.)Chiar dacă celulele solare sunt surse curate și eficiente de energie,un lucru pe care nu pot pretinde cu adevărat că este în acest moment este efficientuses de teren. Chiar și acele ferme solare uriașe care răsar acum peste tot produc doar cantități modeste de energie (de obicei aproximativ 20 de megawați, sau aproximativ 1% ca un cărbune mare, de 2 gigawați sau o centrală nucleară). Compania Ecotricity din Marea Britanie a estimat că este nevoie de aproximativ 22.000 de panouri așezate pe o suprafață de 12 hectare (30 de acri) pentru a genera 4,2 megawați de putere, aproximativ la fel de mult ca două vânturi mari și suficient pentru a alimenta 1.200 de case.

puterea oamenilor

fotografie: O micro-turbină eoliană și un panou solar lucrează împreună pentru a alimenta o bancă de baterii care păstrează acest semn de avertizare pentru construcția autostrăzii aprins zi și noapte. Panoul solar este montat, orientat spre cer, pe „capacul” galben plat pe care îl puteți vedea chiar în partea de sus a afișajului.

unii oameni sunt îngrijorați de faptul că fermele solare vor înghiți terenuri necesare pentru agricultura reală și producția de alimente. Îngrijorător despreteren-ia ratează un punct crucial dacă vorbim despre punerea solarpanels pe acoperișuri interne. Ecologiștii ar argumenta că punctul real al energiei solare nu este de a crea centrale solare mari, centralizate (astfel încât utilitățile puternice pot continua să vândă energie electrică oamenilor neputincioși cu un profit mare), ci să înlocuiască centralele electrice murdare, ineficiente, centralizate, permițând oamenilor să-și facă singuri puterea chiar în locul în care o folosesc. Aceasta elimină ineficiența producerii de energie pe bază de combustibili fosili, poluarea aerului și emisiile de dioxid de carbon pe care le produc și, de asemenea, elimină ineficiența transmiterii energiei de la punctul de generare până la punctul de utilizare prin linii electrice aeriene sau subterane. Chiar dacă trebuie să vă acoperiți întregul acoperiș cu panouri solare(sau celule solare laminate cu film subțire pe toate ferestrele), dacă ați putea satisface toate nevoile dvs. de energie electrică (sau chiar o mare parte din ele), nu ar conta: acoperișul dvs. este oricum doar spațiu irosit.Potrivit unui raport din 2011 al Asociației Europene a industriei fotovoltaice și Greenpeace, nu există o nevoie reală de a acoperi terenurile agricole valoroase cu panouri solare: aproximativ 40% din toate acoperișurile și 15% din fațadele clădirilor din țările UE ar fi potrivite pentru panouri PvP, ceea ce ar reprezenta aproximativ 40% din totalul cererii de energie electrică până în 2020.

este important să nu uităm că energia solară schimbă generarea de energie în punctul de consum de energie—și asta are mari avantaje practice. Ceasurile de mână și calculatoarele cu energie solară teoretic nu au nevoie de baterii (în practică, au copii de rezervă ale bateriei) și mulți dintre noi ar savura smartphone-urile cu energie solară care nu au nevoie niciodată de încărcare. Semnele rutiere și feroviare sunt acum uneori alimentate cu energie solară; semnele intermitente de întreținere de urgență au adesea panouri solare montate, astfel încât acestea pot fi desfășurate chiar și în cele mai îndepărtate locații. În țările în curs de dezvoltare, bogate în lumina soarelui, dar sărace în infrastructura electrică, panourile solare alimentează pompe de apă,cutii telefonice și frigidere în spitale și clinici de sănătate.

De ce nu a prins încă energia solară?

răspunsul la aceasta este un amestec de factori economici, politici și tehnologici. Din punct de vedere economic, în majoritatea țărilor, electricitatea generată de panourile solare este încă mai scumpă decât electricitatea produsă prin arderea combustibililor fosili murdari și poluanți. Lumea are o investiție uriașă în infrastructura de combustibili fosili și, deși companiile petroliere puternice s-au ocupat de ramificațiile energiei solare, ele par mult mai interesate să prelungească durata de viață a rezervelor de petrol și gaze existente cu tehnologii precum fracking (fracturarea hidraulică). Din punct de vedere politic, companiile de petrol, gaze și cărbune sunt extrem de puternice și influente și rezistă tipului de reglementări de mediu care favorizează tehnologiile regenerabile precum energia solară și eoliană. Din punct de vedere tehnologic, așa cum am văzut deja, celulele solare sunt o „lucrare în desfășurare” și o mare parte din investițiile solare din lume se bazează încă pe tehnologia de primă generație. Cine știe, poate că va dura mai multe decenii înainte ca recentele sfaturi științifice să facă cazul de afaceri pentru solar cu adevărat convingător?

o problemă cu argumente de acest fel este că acestea cântăresc doar factorii economici și tehnologici de bază și nu iau în considerare costurile de mediu ascunse ale unor lucruri precum deversările de petrol,poluarea aerului, distrugerea terenurilor din exploatarea cărbunelui sau schimbările climatice—și în special costurile viitoare, care sunt dificil sau imposibil de prezis. Este perfect posibil ca conștientizarea în creștere a acestor probleme să grăbească trecerea de la combustibilii fosili, chiardacă nu există alte progrese tehnologice; cu alte cuvinte, poate veni vremea când nu ne mai putem permite să amânăm adoptarea universală a energiei regenerabile. În cele din urmă, toți acești factori suntinterrelaționate. Cu o conducere politică convingătoare, lumea s-ar putea angaja într-o revoluție solară mâine: Politica ar putea forța îmbunătățiri tehnologice care schimbă economia energiei solare.

și numai economia ar putea fi de ajuns. Ritmul tehnologiei, inovațiile în producție și economiile de scară continuă să scadă costul celulelor solare și al panourilor. Numai între 2008 și 2009, potrivit BBC ‘ s environment analystRoger Harrabin,prețurile au scăzut cu aproximativ 30%, iar dominația crescândă a Chinei asupra producției solare a continuat să le scadă de atunci.Între 2010 și 2016, costul fotovoltaicii la scară largă a scăzut cu aproximativ 10-15% pe an, potrivit Administrației SUA pentru informații energetice; în general, prețul trecerii la energia solară a scăzut cu aproximativ 90% în ultimul deceniu, consolidând în continuare aderența Chinei pe piață. Șase dintre primii zece producători de energie solară din lume sunt acum chinezi; în 2016, aproximativ două treimi din capacitatea solară a SUA a venit din China, Malaezia și Coreea de Sud.

foto: celulele solare nu sunt singura modalitate de a produce energie din lumina soarelui—sau chiar,neapărat, cea mai bună cale. De asemenea, putem folosi energia solară termică (absorbția căldurii de la lumina soarelui pentru a încălzi apa din casa dvs.), energia solară pasivă (proiectarea unei clădiri pentru a absorbi lumina soarelui) și colectoarele solare (prezentate aici). În această versiune, 16 oglinzicolectați lumina soarelui și concentrați-l pe un motor Stirling(cutia gri din dreapta), care este un producător de energie extrem de eficient. Fotografie de Warren Gretz prin amabilitatea NREL (id imagine #6323238).

prinde repede?

punctul de basculare pentru solar este de așteptat să sosească atunci când poate atinge ceva numit paritatea rețelei, ceea ce înseamnă că electricitatea generată de soare pe care o faceți devine la fel de ieftină ca și energia pe care o cumpărați din rețea. Multe țări europene se așteaptă săsă atingă această etapă până în 2020. Solar a înregistrat cu siguranță rate de creștere foarte impresionante în ultimii ani, dar este important să ne amintim că încă reprezintă doar o fracțiune din energia totală a lumii. În Marea Britanie, de exemplu, industria solară s-a lăudat cu o”realizare importantă” în 2014, când aproape a dublat capacitatea totală instalată a panourilor solare de la aproximativ 2,8 GW la 5 GW. Dar aceasta reprezintă încă doar câteva centrale electrice mari și, la producția maximă, doar 8% din cererea totală de energie electrică din Marea Britanie de aproximativ 60 GW (factorizarea în lucruri precum zgomotul ar reduce-o la o fracțiune de 8%).potrivit Administrației SUA pentru informații energetice, în Statele Unite, unde a fost inventată tehnologia fotovoltaică, începând cu 2018, energia solară reprezintă doar 1,6% din producția totală de energie electrică a țării.Aceasta înseamnă o creștere de aproximativ 23% față de 2017 (când energia solară era de 1,3%), 80% față de 2016 (când cifra era de 0,9%) și de aproximativ patru ori mai mare decât în 2014 (când energia solară era de doar 0,4%).Chiar și așa, este încă de aproximativ 20 de ori mai puțin decât cărbunele și de 40 de ori mai puțin decât toți combustibilii fosili. Cu alte cuvinte, chiar și o creștere de 10 ori a energiei solare din SUA ar vedea că produce nu mai mult de jumătate din cantitatea de energie electrică pe care o produce astăzi cărbunele(10 1,6% = 16%, comparativ cu 27,4% pentru cărbune în 2018). Se spune că două dintre cele mai importante revizuiri anuale ale energiei din lume, BP Statistical Review of World Energy și statisticile cheie ale energiei mondiale ale Agenției Internaționale pentru energie, nu menționează deloc solarpower, cu excepția unei note de subsol.

Grafic: energia solară este de a face mai mult de energie electrică noastre în fiecare an, dar încă nici pe departe la fel de mult ca cărbune. Acest grafic compară procentul de energie electrică generată în Statele Unite de solarpower (linia verde) și cărbune (linia roșie). Poziția este mai bună decât aceasta în unele țări și mai rea în altele.Desenat de explainthatstuff.com utilizarea datelor istorice și actuale de la US Energy Information Administration.

se va schimba asta în curând? S-ar putea. Potrivit unei lucrări din 2016 a cercetătorilor de la Universitatea Oxford,costul energiei solare scade acum atât de repede încât este pe cale să furnizeze 20% din necesarul de energie al lumii până în 2027, ceea ce ar fi o schimbare de pas față de locul în care ne aflăm astăzi și o rată de creștere mult mai rapidă decât oricine a prognozat anterior. Poate acest ritm de creștere să continue? Ar putea soarele să facă o diferență în schimbările climatice înainte de a fi prea târziu? Uita-te la acest spațiu!

o scurtă istorie a celulelor solare

• 1839: Fizicianul francez Alexandre-Edmond Becquerel (tatăl pionierului radioactivității Henri Becquerel) descoperă că unele metale sunt fotoelectrice: produc electricitate atunci când sunt expuse la lumină.1873: inginerul englez Willoughby Smith descoperă că seleniul este un fotoconductor deosebit de eficient (mai târziu este folosit de Chester Carlson în inventarea fotocopiatorului).1905-fizicianul de origine germană Albert Einstein își dă seama de fizica efectului fotoelectric, o descoperire care în cele din urmă îi aduce un Premiu Nobel.
• 1916: Fizicianul american Robert Millikan demonstrează experimental teoria lui Einstein.1940: Russell Ohl de la Bell Labs descoperă accidental că un semiconductor de joncțiune dopat va produce un curent electric atunci când este expus la lumină.
• 1954: cercetătorii Bell Labs Daryl Chapin, Calvin Fuller și Gerald Pearson realizează prima celulă solară fotovoltaică practică din siliciu, care este eficientă cu aproximativ 6% (o versiune ulterioară gestionează 11%). Ei își anunță invenția—numită inițial „bateria solară” – pe 25 aprilie.
• 1958: Sateliții spațiali Vanguard, Explorer și Sputnik încep să utilizeze celule solare.
• 1962: 3600 din bateriile solare Bell sunt folosite pentru a alimenta Telstar, satelitul de telecomunicații de pionierat.1997: guvernul Federal al SUA anunță inițiativa Million Solar Roofs—pentru a construi un milion de acoperișuri cu energie solară până în 2010.2002: NASA lansează planul Solar Pathfinder plus.
• 2009: oamenii de știință descoperă că cristalele de perovskit au un mare potențial ca materiale fotovoltaice de a treia generație.
• 2014: O colaborare între oamenii de știință germani și francezi produce un nou record de eficiență de 46% pentru o celulă solară cu patru joncțiuni.
• 2020: se preconizează că celulele solare vor atinge paritatea rețelei (electricitatea generată de energia solară pe care o faceți va fi la fel de ieftină ca energia pe care o cumpărați din rețea).
• 2020: celulele Perovskite-siliciu promit o creștere mare a eficienței solare.