Το μέλλον των φωτοβολταϊκών κυττάρων

Τα πρώτα φωτοβολταϊκά κύτταρα, που αναπτύχθηκαν τη δεκαετία του 1950 για την τροφοδοσία δορυφόρων επικοινωνίας, ήταν πολύ αναποτελεσματικά. Από εκείνες τις μέρες, η αποδοτικότητα των ηλιακών κυψελών έχει αυξηθεί σταθερά, ενώ το κόστος έχει μειωθεί, αν και παραμένει αρκετό περιθώριο βελτίωσης. Εκτός από το χαμηλότερο κόστος και την καλύτερη απόδοση, οι μελλοντικές εξελίξεις στα φωτοβολταϊκά υλικά πιθανότατα θα οδηγήσουν σε ευρύτερη χρήση της ηλιακής ενέργειας για νέες, φιλικές προς το περιβάλλον εφαρμογές.

Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα ήταν το κλειδί για τους πρώτους δορυφόρους επικοινωνίας, επειδή λίγες εναλλακτικές λύσεις θα μπορούσαν να παράγουν αξιόπιστη ηλεκτρική ενέργεια για μεγάλα χρονικά διαστήματα, ειδικά χωρίς συντήρηση. Το υψηλό κόστος ενός δορυφόρου δικαιολογείται από τη χρήση ακριβών ηλιακών κυψελών για ενέργεια. Έκτοτε, το κόστος των ηλιακών κυψελών έχει μειωθεί σημαντικά, οδηγώντας σε φθηνές κινητές συσκευές, όπως υπολογιστές με ηλιακή ενέργεια και φορτιστές κινητών τηλεφώνων. Για παραγωγή μεγάλης κλίμακας, το κόστος για κάθε watt ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται από φωτοβολταϊκά παραμένει υψηλότερο από τις εναλλακτικές λύσεις όπως η ενέργεια από άνθρακα ή πυρηνική ενέργεια. Η συνολική τάση μείωσης του κόστους για ηλιακά κύτταρα είναι πιθανό να συνεχιστεί στο άμεσο μέλλον.

Ένα αποδοτικό ηλιακό στοιχείο παράγει περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από μια δεδομένη ποσότητα φωτός σε σύγκριση με ένα αναποτελεσματικό. Η απόδοση εξαρτάται από διάφορους παράγοντες, όπως τα υλικά που χρησιμοποιούνται στο ίδιο το φωτοβολταϊκό στοιχείο, το γυαλί που χρησιμοποιείται για την κάλυψη του στοιχείου και την ηλεκτρική καλωδίωση του στοιχείου. Βελτιώσεις, όπως υλικά που μετατρέπουν ένα μεγαλύτερο μέρος του φάσματος φωτός του Ήλιου σε ηλεκτρική ενέργεια έχουν αυξήσει ριζικά την αποδοτικότητα των ηλιακών κυψελών. Οι μελλοντικές εξελίξεις πιθανότατα θα αυξήσουν περαιτέρω την αποδοτικότητα, απορροφώντας περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια από το φως.

Ένα παραδοσιακό φωτοβολταϊκό στοιχείο είναι ένα επίπεδο κομμάτι υλικού πυριτίου, καλυμμένο με γυαλί και συγκολλημένο σε μεταλλικό πάνελ. είναι αποτελεσματικό αλλά όχι πολύ ευέλικτο. Η τρέχουσα έρευνα σε φωτοβολταϊκά υλικά οδήγησε σε κύτταρα που είναι βαμμένα σε μια ποικιλία επιφανειών, συμπεριλαμβανομένων χαρτιού και πλαστικών φύλλων. Μια άλλη τεχνική τοποθετεί μια εξαιρετικά λεπτή μεμβράνη υλικού πάνω στο γυαλί, με αποτέλεσμα ένα παράθυρο που αφήνει φως και παράγει ηλεκτρισμό. Μεγαλύτερη ποικιλία φωτοβολταϊκών υλικών στο μέλλον μπορεί να οδηγήσει σε ηλιακή βαφή σπιτιού, πλακόστρωτο δρόμου, παλτό που φορτίζει το κινητό σας τηλέφωνο και άλλες προηγμένες εφαρμογές.

Οι εξελίξεις στη νανοτεχνολογία, η μελέτη των ιδιοτήτων υλικού σε ατομικά και μοριακά επίπεδα, έχουν μεγάλες δυνατότητες βελτίωσης των φωτοβολταϊκών κυττάρων. Για παράδειγμα, το μέγεθος των μικροσκοπικών σωματιδίων σε φωτοβολταϊκά υλικά επηρεάζει την ικανότητά τους να απορροφούν συγκεκριμένα χρώματα φωτός. Ρυθμίζοντας το μέγεθος και το σχήμα των μορίων, οι επιστήμονες μπορούν να αυξήσουν την αποτελεσματικότητά τους. Η νανοτεχνολογία μπορεί επίσης μια μέρα να οδηγήσει σε έναν επιτραπέζιο εκτυπωτή 3D που παράγει ατομικά ακριβή ηλιακά κύτταρα και άλλες συσκευές με πολύ χαμηλό κόστος.

Αν και τα φωτοβολταϊκά κύτταρα έχουν μεγάλη υπόσχεση σε μελλοντικές εφαρμογές, θα αντιμετωπίσουν επίσης ορισμένα σκληρά φυσικά όρια. Για παράδειγμα, είναι απίθανο ένα εντελώς επιβατικό αυτοκίνητο με ηλιακή ενέργεια να έχει την απόδοση ή τη χρησιμότητα ενός τυπικού τρέχοντος μοντέλου με φυσικό αέριο. Παρόλο που τα ηλιακά οχήματα λειτουργούν σε διαγωνισμούς, αυτά είναι ως επί το πλείστον εξαιρετικά εξειδικευμένα πρωτότυπα εκατομμυρίων δολαρίων που απαιτούν ηλιόλουστες συνθήκες στην έρημο. Ο περιοριστικός παράγοντας είναι το φως του ήλιου που λαμβάνει η Γη, το οποίο ανέρχεται σε 1.000 watt ανά μέτρο σε ιδανικές συνθήκες. Ο μικρότερος πρακτικός ηλεκτρικός κινητήρας για ένα αυτοκίνητο απαιτεί περίπου 40kW ενέργειας. με απόδοση 40 τοις εκατό, αυτό σημαίνει ένα ηλιακό πάνελ 100 τετραγωνικών μέτρων ή 1.000 τετραγωνικά πόδια στην περιοχή. Από την άλλη πλευρά, ένα πρακτικό ηλιακό πλαίσιο θα μπορούσε κάποια μέρα να τροφοδοτήσει ένα μικρό όχημα για περιστασιακή χρήση ή να επεκτείνει το εύρος οδήγησης για ένα plug-in υβριδικό. Η περιορισμένη ενέργεια στο φως του ήλιου περιορίζει την απόδοση οποιουδήποτε οχήματος που βασίζεται σε φωτοβολταϊκά κύτταρα.