Die Zukunft der Photovoltaikzellen

Die ersten Photovoltaikzellen, die in den 1950er Jahren entwickelt wurden, um Kommunikationssatelliten mit Strom zu versorgen, waren sehr ineffizient. Seitdem sind die Wirkungsgrade von Solarzellen bei sinkenden Kosten stetig gestiegen, obwohl es noch viel Raum für Verbesserungen gibt. Neben geringeren Kosten und höherer Effizienz werden zukünftige Fortschritte bei photovoltaischen Materialien wahrscheinlich zu einer breiteren Nutzung von Solarenergie für neuartige, umweltfreundliche Anwendungen führen.

Photovoltaikzellen waren der Schlüssel zu den ersten Kommunikationssatelliten, da nur wenige Alternativen über lange Zeiträume zuverlässig Strom produzieren konnten, insbesondere wartungsfrei. Die hohen Kosten eines Satelliten rechtfertigten den Einsatz teurer Solarzellen zur Stromversorgung. Seitdem sind die Kosten für Solarzellen deutlich gesunken, was zu preiswerten mobilen Geräten wie solarbetriebenen Taschenrechnern und Handy-Ladegeräten geführt hat. Bei der großtechnischen Stromerzeugung sind die Kosten für jedes Watt Strom aus Photovoltaik nach wie vor höher als bei Alternativen wie Kohle- oder Kernkraft. Der allgemeine Trend zu sinkenden Kosten für Solarzellen dürfte sich in absehbarer Zeit fortsetzen.

Eine effiziente Solarzelle erzeugt aus einer gegebenen Lichtmenge mehr Strom als eine ineffiziente. Die Effizienz hängt von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Materialien, die in der Photovoltaikzelle selbst verwendet werden, dem Glas, das zur Abdeckung der Zelle verwendet wird, und der elektrischen Verkabelung der Zelle. Verbesserungen wie Materialien, die einen größeren Teil des Lichtspektrums der Sonne in Elektrizität umwandeln, haben die Effizienz von Solarzellen radikal erhöht. Zukünftige Fortschritte werden wahrscheinlich die Effizienz weiter steigern und mehr elektrische Energie aus dem Licht gewinnen.

Eine herkömmliche Photovoltaikzelle ist ein flaches Stück Siliziummaterial, das mit Glas bedeckt und mit einer Metallplatte verbunden ist. es ist effektiv, aber nicht sehr flexibel. Die aktuelle Forschung im Bereich photovoltaischer Materialien hat zu Zellen geführt, die auf eine Vielzahl von Oberflächen gestrichen werden, darunter Papier und Plastikfolien. Bei einer anderen Technik wird ein ultradünner Materialfilm auf Glas aufgebracht, wodurch ein Fenster entsteht, das Licht einlässt und Strom erzeugt. Eine größere Vielfalt an Photovoltaik-Materialien in der Zukunft kann zu solarbetriebenen Hausanstrichen, Straßenpflastern, einer Beschichtung, die Ihr Mobiltelefon auflädt, und anderen fortschrittlichen Anwendungen führen.

Fortschritte in der Nanotechnologie, der Untersuchung von Materialeigenschaften auf atomarer und molekularer Ebene, haben großes Potenzial zur Verbesserung von Photovoltaikzellen. Beispielsweise beeinflusst die Größe mikroskopischer Partikel in photovoltaischen Materialien ihre Fähigkeit, bestimmte Lichtfarben zu absorbieren; Durch die Feinabstimmung der Größe und Form von Molekülen können Wissenschaftler ihre Effizienz steigern. Nanotechnologie könnte eines Tages auch zu einem Desktop-3D-Drucker führen, der atomar präzise Solarzellen und andere Geräte zu sehr geringen Kosten produziert.

Obwohl Photovoltaikzellen für zukünftige Anwendungen viel versprechend sind, werden sie auch an einige harte physikalische Grenzen stoßen. Zum Beispiel ist es unwahrscheinlich, dass ein vollständig sonnenbetriebener Pkw die Leistung oder den Nutzen eines typischen aktuellen gasbetriebenen Modells hat. Obwohl sonnenbetriebene Fahrzeuge bereits in Wettbewerben gefahren sind, handelt es sich meist um hochspezialisierte Millionen-Dollar-Prototypen, die sonnige Wüstenbedingungen erfordern. Der limitierende Faktor ist das Sonnenlicht, das die Erde erhält, das unter idealen Bedingungen 1.000 Watt pro Meter beträgt. Der kleinste praktische Elektromotor für ein Auto benötigt etwa 40 kW Energie; Bei einem Wirkungsgrad von 40 Prozent bedeutet dies ein Solarpanel von 100 Quadratmetern oder 1.000 Quadratfuß Fläche. Andererseits könnte ein praktisches Solarpanel eines Tages einen kleinen Flitzer für den gelegentlichen Einsatz mit Strom versorgen oder die Reichweite für einen Plug-in-Hybrid erhöhen. Die begrenzte Energie des Sonnenlichts schränkt die Leistung jedes Fahrzeugs ein, das auf Photovoltaikzellen angewiesen ist.