Przyszłość ogniw fotowoltaicznych

Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne, opracowane w latach 50. do zasilania satelitów komunikacyjnych, były bardzo nieefektywne. Od tamtych czasów wydajność ogniw słonecznych stale rosła, podczas gdy koszty spadały, chociaż nadal istnieje wiele możliwości ulepszeń. Oprócz niższych kosztów i lepszej wydajności, przyszłe postępy w materiałach fotowoltaicznych prawdopodobnie doprowadzą do szerszego wykorzystania energii słonecznej w nowatorskich, przyjaznych dla środowiska zastosowaniach.

Ogniwa fotowoltaiczne były kluczowe dla pierwszych satelitów komunikacyjnych, ponieważ niewiele alternatyw może wytwarzać niezawodną energię elektryczną przez długi czas, zwłaszcza bez konserwacji. Wysoki koszt satelity uzasadniał użycie drogich ogniw słonecznych do zasilania. Od tego czasu koszty ogniw słonecznych znacznie spadły, co doprowadziło do powstania niedrogich urządzeń mobilnych, takich jak kalkulatory zasilane energią słoneczną i ładowarki do telefonów komórkowych. W przypadku wytwarzania energii na dużą skalę koszt każdego wata energii elektrycznej wyprodukowanej z fotowoltaiki pozostaje wyższy niż w przypadku alternatyw, takich jak energia z węgla lub energia jądrowa. Ogólna tendencja do obniżania kosztów ogniw słonecznych prawdopodobnie utrzyma się w przewidywalnej przyszłości.

Wydajne ogniwo słoneczne wytwarza więcej energii elektrycznej z danej ilości światła w porównaniu z nieefektywnym. Wydajność zależy od kilku czynników, w tym materiałów użytych w samym ogniwie fotowoltaicznym, szkła użytego do pokrycia ogniwa oraz okablowania elektrycznego ogniwa. Ulepszenia, takie jak materiały, które przekształcają większą część widma światła słonecznego w energię elektryczną, radykalnie zwiększyły wydajność ogniw słonecznych. Przyszłe postępy prawdopodobnie jeszcze bardziej zwiększą wydajność, wyciskając więcej energii elektrycznej ze światła.

Tradycyjne ogniwo fotowoltaiczne to płaski kawałek materiału krzemowego, pokryty szkłem i połączony z metalowym panelem; jest skuteczny, ale niezbyt elastyczny. Obecne badania nad materiałami fotowoltaicznymi doprowadziły do ​​powstania ogniw malowanych na różnych powierzchniach, w tym na arkuszach papieru i plastiku. Inna technika polega na nałożeniu ultracienkiej warstwy materiału na szkło, w wyniku czego powstaje okno, które przepuszcza światło i wytwarza energię elektryczną. Większa różnorodność materiałów fotowoltaicznych w przyszłości może prowadzić do malowania domów zasilanych energią słoneczną, nawierzchni drogowych, płaszcza, który ładuje telefon komórkowy i innych zaawansowanych zastosowań.

Postępy w nanotechnologii, badaniu właściwości materiałów na poziomie atomowym i molekularnym, mają ogromny potencjał w ulepszaniu ogniw fotowoltaicznych. Na przykład wielkość mikroskopijnych cząstek w materiałach fotowoltaicznych wpływa na ich zdolność do pochłaniania określonych kolorów światła; dostrajając wielkość i kształt cząsteczek, naukowcy mogą zwiększyć ich wydajność. Nanotechnologia może również pewnego dnia doprowadzić do powstania stacjonarnej drukarki 3D, która będzie wytwarzać precyzyjne atomowo ogniwa słoneczne i inne urządzenia po bardzo niskich kosztach.

Chociaż ogniwa fotowoltaiczne są bardzo obiecujące w przyszłych zastosowaniach, będą również zmagać się z pewnymi twardymi ograniczeniami fizycznymi. Na przykład jest mało prawdopodobne, aby samochód osobowy napędzany całkowicie energią słoneczną miał osiągi lub użyteczność typowego obecnego modelu zasilanego gazem. Chociaż pojazdy napędzane energią słoneczną startowały w zawodach, są to w większości wysoce wyspecjalizowane prototypy warte miliony dolarów, które wymagają słonecznych pustynnych warunków. Czynnikiem ograniczającym jest światło słoneczne, jakie otrzymuje Ziemia, które w idealnych warunkach wynosi 1000 watów na metr. Najmniejszy praktyczny silnik elektryczny do samochodu wymaga około 40 kW energii; przy 40-procentowej wydajności oznacza to panel słoneczny o powierzchni 100 metrów kwadratowych lub 1000 stóp kwadratowych. Z drugiej strony praktyczny panel słoneczny może pewnego dnia zasilać mały pojazd typu runabout do sporadycznego użytku lub zwiększyć zasięg jazdy hybrydy plug-in. Ograniczona energia światła słonecznego ogranicza wydajność każdego pojazdu, który opiera się na ogniwach fotowoltaicznych.