Budućnost fotonaponskih ćelija

Prve fotonaponske ćelije, razvijene 1950-ih za napajanje komunikacijskih satelita, bile su vrlo neučinkovite. Otada su se učinkovitosti solarnih ćelija neprestano penjale, dok su troškovi padali, iako ostaje dovoljno prostora za poboljšanje. Uz niže troškove i bolju učinkovitost, budući napredak fotonaponskih materijala vjerojatno će dovesti do šire upotrebe solarne energije za nove, ekološki prihvatljive primjene.

Fotonaponske ćelije bile su ključne za prve komunikacijske satelite, jer je malo alternativa moglo proizvoditi pouzdanu električnu energiju dulje vrijeme, posebno bez održavanja. Visoka cijena satelita opravdana je korištenjem skupih solarnih ćelija za napajanje. Od tada su troškovi solarnih ćelija znatno opali, što je dovelo do jeftinih mobilnih uređaja poput kalkulatora na solarni pogon i punjača za mobitele. Za proizvodnju električne energije velikih razmjera, troškovi za svaki vat električne energije proizvedene iz fotonaponskih sustava i dalje su veći od alternativa poput energije iz ugljena ili nuklearne energije. Ukupni trend smanjenja troškova za solarne ćelije vjerojatno će se nastaviti i u doglednoj budućnosti.

Učinkovita solarna ćelija proizvodi više električne energije iz zadane količine svjetlosti u usporedbi s neučinkovitom. Učinkovitost ovisi o nekoliko čimbenika, uključujući materijale koji se koriste u samoj fotonaponskoj ćeliji, staklo kojim se pokriva ćelija i električne ožičenja ćelije. Poboljšanja, poput materijala koji pretvaraju veći dio sunčevog svjetlosnog spektra u električnu energiju, radikalno su povećali učinkovitost solarnih ćelija. Budući napredak vjerojatno će dodatno povećati učinkovitost, oduzimajući više električne energije iz svjetlosti.

Tradicionalna fotonaponska ćelija je ravni komad silicijskog materijala, prekriven staklom i povezan s metalnom pločom; učinkovit je, ali ne baš fleksibilan. Trenutna istraživanja fotonaponskih materijala dovela su do ćelija koje se oslikavaju na različitim površinama, uključujući papir i plastične listove. Druga tehnika postavlja ultratanak film od materijala na staklo, što rezultira prozorom koji propušta svjetlost i proizvodi električnu energiju. Veća raznolikost fotonaponskih materijala u budućnosti može dovesti do farbe kuća na solarnu energiju, asfaltiranja cesta, kaputa koji puni vaš mobitel i drugih naprednih aplikacija.

Napredak u nanotehnologiji, proučavanju svojstava materijala na atomskoj i molekularnoj razini, ima velik potencijal za poboljšanje fotonaponskih stanica. Na primjer, veličina mikroskopskih čestica u fotonaponskim materijalima utječe na njihovu sposobnost apsorpcije određenih boja svjetlosti; finim podešavanjem veličine i oblika molekula, znanstvenici mogu povećati njihovu učinkovitost. Nanotehnologija također jednog dana može dovesti do stolnog 3D printera koji proizvodi atomski precizne solarne ćelije i druge uređaje po vrlo niskoj cijeni.

Iako fotonaponske ćelije obećavaju u budućim aplikacijama, oni će se također boriti s određenim fizičkim ograničenjima. Primjerice, malo je vjerojatno da će osobni automobil na potpuno sunčani pogon imati performanse ili korisnost tipičnog trenutnog modela s pogonom na plin. Iako su se vozila na sunčev pogon natjecala, to su većinom visoko specijalizirani prototipovi vrijedni milijuni dolara koji zahtijevaju sunčane pustinjske uvjete. Ograničavajući faktor je sunčeva svjetlost koju Zemlja prima i koja u idealnim uvjetima iznosi 1.000 W po metru. Najmanji praktični električni motor za automobil zahtijeva oko 40kW energije; s učinkovitošću od 40 posto, to znači solarni panel površine 100 četvornih metara ili 1000 četvornih metara. S druge strane, praktični solarni panel mogao bi jednog dana napajati malo gumeno vozilo za povremenu upotrebu ili proširiti domet vožnje za plug-in hibrid. Ograničena energija na sunčevoj svjetlosti ograničava performanse bilo kojeg vozila koje se oslanja na fotonaponske ćelije.