Будущее фотоэлектрических элементов

Первые фотоэлектрические элементы, разработанные в 1950-х годах для питания спутников связи, были очень неэффективными. С тех пор эффективность солнечных элементов неуклонно росла, а затраты падали, хотя есть еще много возможностей для улучшения. Помимо более низкой стоимости и повышения эффективности, будущие достижения в области фотоэлектрических материалов, вероятно, приведут к более широкому использованию солнечной энергии для новых, экологически чистых приложений.

Фотоэлектрические элементы были ключевыми для первых спутников связи, потому что немногие альтернативы могли производить надежную электроэнергию в течение длительных периодов времени, особенно без обслуживания. Высокая стоимость спутника оправдывает использование в качестве источника энергии дорогих солнечных батарей. С тех пор стоимость солнечных элементов значительно снизилась, что привело к появлению недорогих мобильных устройств, таких как калькуляторы на солнечных батареях и зарядные устройства для мобильных телефонов. Для крупномасштабного производства электроэнергии стоимость каждого ватта электроэнергии, произведенной с помощью фотоэлектрических элементов, остается выше, чем при использовании таких альтернатив, как угольная или ядерная энергия. Общая тенденция к снижению затрат на солнечные элементы, вероятно, сохранится в обозримом будущем.

Эффективный солнечный элемент производит больше электроэнергии из заданного количества света по сравнению с неэффективным. Эффективность зависит от нескольких факторов, включая материалы, используемые в самом фотоэлектрическом элементе, стекло, используемое для покрытия элемента, и электрическую проводку элемента. Усовершенствования, такие как материалы, которые преобразуют большую часть спектра солнечного света в электричество, радикально повысили эффективность солнечных элементов. Будущие достижения, вероятно, еще больше повысят эффективность, отнимая у света больше электрической энергии.

Традиционный фотоэлектрический элемент представляет собой плоский кусок кремниевого материала, покрытый стеклом и прикрепленный к металлической панели; это эффективно, но не очень гибко. Текущие исследования фотоэлектрических материалов привели к созданию ячеек, которые наносятся на различные поверхности, включая бумагу и пластиковые листы. Другой метод помещает на стекло ультратонкую пленку материала, в результате чего получается окно, пропускающее свет и производящее электричество. Расширение ассортимента фотоэлектрических материалов в будущем может привести к созданию краски для дома, работающей на солнечной энергии, мощению дорог, пальто, которое заряжает ваш мобильный телефон, и другим передовым приложениям.

Достижения в области нанотехнологий, исследования свойств материалов на атомном и молекулярном уровнях, имеют большой потенциал для улучшения фотоэлектрических элементов. Например, размер микроскопических частиц в фотоэлектрических материалах влияет на их способность поглощать свет определенных цветов; настраивая размер и форму молекул, ученые могут повысить их эффективность. Нанотехнологии также могут однажды привести к созданию настольного 3D-принтера, который будет производить солнечные элементы атомарной точности и другие устройства по очень низкой цене.

Хотя фотоэлектрические элементы имеют большие перспективы в будущих приложениях, они также столкнутся с некоторыми жесткими физическими ограничениями. Например, маловероятно, что легковой автомобиль, полностью работающий на солнечной энергии, будет иметь характеристики или полезность типичной нынешней модели с газовым двигателем. Хотя автомобили на солнечных батареях участвовали в соревнованиях, по большей части это узкоспециализированные прототипы стоимостью в миллион долларов, которые требуют условий солнечной пустыни. Ограничивающим фактором является солнечный свет, который получает Земля, который в идеальных условиях составляет 1000 ватт на метр. Самый маленький практичный электромотор для автомобиля требует около 40 кВт энергии; при 40-процентной эффективности это означает солнечную панель площадью 100 квадратных метров или 1000 квадратных футов. С другой стороны, практичная солнечная панель может когда-нибудь привести в действие небольшой малолитражный автомобиль для периодического использования или расширить диапазон движения для подключаемого гибрида. Ограниченная энергия солнечного света ограничивает производительность любого транспортного средства, использующего фотоэлектрические элементы.