A fotovoltaikus cellák jövője

Az első fotovoltaikus cellák, amelyeket az 1950-es években fejlesztettek ki a kommunikációs műholdak táplálására, nagyon hatástalanok voltak. E napok óta a napelemek hatékonysága folyamatosan emelkedett, miközben a költségek csökkentek, bár még mindig van mit javítani. Az alacsonyabb költség és jobb hatékonyság mellett a fotovoltaikus anyagok jövőbeli fejlődése valószínűleg a napenergia szélesebb körű felhasználását fogja eredményezni újszerű, környezetbarát alkalmazásokhoz.

A fotovoltaikus cellák kulcsfontosságúak voltak az első kommunikációs műholdaknál, mert kevés alternatíva képes hosszú távon megbízható villamos energiát termelni, különösen karbantartás nélkül. A műhold magas költsége igazolta drága napelemek áramellátását. Azóta a napelemek költségei jelentősen csökkentek, ami olcsó mobil eszközökhöz, például napelemes számológépekhez és mobiltelefon-töltőkhöz vezetett. Nagyüzemi villamosenergia-termelés esetén a fotovoltaikus energiából előállított villamos energia minden wattjának költsége továbbra is magasabb, mint az alternatívák, például a szénből vagy az atomenergiából származó energia. A napelemek költségeinek csökkenésének általános tendenciája valószínűleg belátható időn belül folytatódik.

A hatékony napelem több villamos energiát termel egy adott fénymennyiségből, mint egy nem hatékony. A hatékonyság számos tényezőtől függ, beleértve a fotovoltaikus cellában felhasznált anyagokat, a cella borításához használt üveget és a cella elektromos vezetékeit. A fejlesztések, például az olyan anyagok, amelyek a Nap fényspektrumának nagyobb részét elektromossággá alakítják, radikálisan növelték a napelem hatékonyságát. A jövőbeni fejlődés valószínűleg tovább növeli a hatékonyságot, és több elektromos energiát von maga után a fényből.

A hagyományos fotovoltaikus cella egy lapos szilíciumdarab, amelyet üveg borít és fémlemezhez köt; hatékony, de nem túl rugalmas. A fotovoltaikus anyagok jelenlegi kutatása olyan cellákhoz vezetett, amelyeket különféle felületekre festettek, beleértve a papír- és műanyaglapokat is. Egy másik technika ultravékony anyagfóliát helyez az üvegre, aminek eredményeként egy ablak beengedi a fényt és áramot termel. A fotovoltaikus anyagok nagyobb változatossága a jövőben napenergiával működő házfestékhez, útburkolathoz, mobiltelefonját feltöltő kabáthoz és más fejlett alkalmazásokhoz vezethet.

A nanotechnológia fejlődése, az anyag tulajdonságainak atom- és molekuláris szinten történő tanulmányozása nagy lehetőségekkel bír a fotovoltaikus cellák javítására. Például a fotovoltaikus anyagok mikroszkopikus részecskéinek mérete befolyásolja azok képességét, hogy elnyeljék a fény bizonyos színeit; A molekulák méretének és alakjának finomhangolásával a tudósok növelhetik hatékonyságukat. A nanotechnológia egy nap egy asztali 3D-nyomtatóhoz is vezethet, amely atomi pontosságú napelemeket és egyéb eszközöket állít elő nagyon alacsony költségek mellett.

Bár a fotovoltaikus cellák nagy ígéreteket támasztanak a jövőbeni alkalmazásokban, bizonyos kemény fizikai korlátokkal is küzdenek. Például nem valószínű, hogy egy teljesen napenergiával működő személygépkocsi teljesítménye vagy hasznossága megegyezik egy tipikus jelenlegi gázüzemű modell teljesítményével. Noha a napenergiával működő járművek versenyeken futottak, ezek többnyire nagymértékben specializált millió dolláros prototípusok, amelyek napos sivatagi körülményeket igényelnek. A korlátozó tényező a napfény, amelyet a Föld kap, amely ideális körülmények között méterenként 1000 wattot tesz ki. Az autó legkisebb praktikus elektromos motorja körülbelül 40 kW energiát igényel; 40 százalékos hatékonysággal ez 100 négyzetméteres vagy 1000 négyzetméteres napelemet jelent. Másrészről, egy praktikus napelem valamikor egy kis futó járművet működtethet alkalmi használatra, vagy meghosszabbíthatja a bedugható hibrid hatótávolságát. A korlátozott energia a napfényben korlátozza minden olyan jármű teljesítményét, amely fotovoltaikus cellákra támaszkodik.