Бъдещето на фотоволтаичните клетки

Първите фотоволтаични клетки, разработени през 50-те години на миналия век за захранване на комуникационни сателити, бяха много неефективни. От тези дни ефективността на слънчевите клетки непрекъснато се покачва, докато разходите намаляват, въпреки че остава много място за подобрение. В допълнение към по-ниската цена и по-добрата ефективност, бъдещият напредък във фотоволтаичните материали вероятно ще доведе до по-широко използване на слънчевата енергия за нови, екологични приложения.

Фотоволтаичните клетки бяха ключови за първите комуникационни спътници, тъй като малко алтернативи могат да произвеждат надеждно електричество за дълги периоди, особено без поддръжка. Високата цена на сателит е оправдана с използването на скъпи слънчеви клетки за захранване. Оттогава разходите за слънчеви клетки са намалели значително, което е довело до евтини мобилни устройства като калкулатори със слънчева енергия и зарядни за мобилни телефони. При мащабно производство на електроенергия разходите за всеки ват електроенергия, произведена от фотоволтаици, остават по-високи от алтернативи като енергия от въглища или ядрена енергия. Общата тенденция за намаляване на разходите за слънчеви клетки вероятно ще продължи и в обозримо бъдеще.

Ефективната слънчева клетка произвежда повече електричество от дадено количество светлина в сравнение с неефективната. Ефективността зависи от няколко фактора, включително материалите, използвани в самата фотоволтаична клетка, стъклото, използвано за покриване на клетката, и електрическото окабеляване на клетката. Подобрения, като материали, които превръщат по-голяма част от светлинния спектър на Слънцето в електричество, радикално са увеличили ефективността на слънчевите клетки. Бъдещият напредък вероятно ще увеличи ефективността допълнително, изтръгвайки повече електрическа енергия от светлината.

Традиционната фотоволтаична клетка е плоско парче силициев материал, покрито със стъкло и свързано с метален панел; той е ефективен, но не е много гъвкав. Настоящите изследвания на фотоволтаични материали доведоха до клетки, които се рисуват върху различни повърхности, включително хартия и пластмасови листове. Друга техника поставя ултратънък филм от материал върху стъклото, което води до прозорец, който пропуска светлина и произвежда електричество. По-голямото разнообразие от фотоволтаични материали в бъдеще може да доведе до слънчеви батерии, боядисване на пътища, палто, което презарежда мобилния ви телефон, и други усъвършенствани приложения.

Напредъкът в нанотехнологиите, изследването на свойствата на материала на атомно и молекулярно ниво, има голям потенциал за подобряване на фотоволтаичните клетки. Например размерът на микроскопичните частици във фотоволтаичните материали влияе върху способността им да абсорбират специфични цветове светлина; чрез фина настройка на размера и формата на молекулите, учените могат да увеличат тяхната ефективност. Нанотехнологиите могат един ден да доведат до настолен 3D принтер, който произвежда атомно прецизни слънчеви клетки и други устройства на много ниска цена.

Въпреки че фотоволтаичните клетки имат големи обещания в бъдещите приложения, те също ще се борят с някои твърди физически ограничения. Например, малко вероятно е напълно задвижван от слънцето лек автомобил да има ефективността или полезността на типичен настоящ модел, задвижван с газ. Въпреки че превозните средства, задвижвани със слънце, са участвали в състезания, те в по-голямата си част са високоспециализирани прототипи за милиони долари, които изискват слънчеви условия в пустинята. Ограничаващият фактор е слънчевата светлина, която Земята получава, която възлиза на 1000 вата на метър при идеални условия. Най-малкият практически електромотор за автомобил изисква около 40kW енергия; при 40% ефективност, това означава слънчев панел с площ от 100 квадратни метра или 1000 квадратни метра. От друга страна, един практичен слънчев панел може някой ден да захрани малко маломерно превозно средство за случайна употреба или да разшири обхвата на шофиране за включен хибрид. Ограничената енергия на слънчева светлина ограничава работата на всяко превозно средство, което разчита на фотоволтаични клетки.