Майбутнє фотоелектричних елементів

Перші фотоелектричні елементи, розроблені в 1950-х роках для живлення супутників зв'язку, були дуже неефективними. З тих пір ефективність сонячних батарей постійно зростала, тоді як витрати падали, хоча залишається багато можливостей для вдосконалення. На додаток до нижчої вартості та кращої ефективності, майбутні досягнення у галузі фотоелектричних матеріалів, швидше за все, призведуть до більш широкого використання сонячної енергії для нових, екологічно чистих програм.

Фотоелектричні елементи були ключовими для перших супутників зв'язку, оскільки мало хто з альтернативних варіантів міг виробляти надійну електроенергію протягом тривалих періодів, особливо без технічного обслуговування. Висока вартість супутника виправдана використанням дорогих сонячних батарей для живлення. З тих пір витрати на сонячні елементи значно впали, що призвело до недорогих мобільних пристроїв, таких як калькулятори на сонячних батареях та зарядні пристрої для мобільних телефонів. Для широкомасштабного виробництва електроенергії вартість кожного вата електроенергії, виробленої за допомогою фотоелектрики, залишається вищою, ніж альтернативи, такі як енергія з вугілля або атомної енергетики. Загальна тенденція до зменшення витрат на сонячні елементи, ймовірно, збережеться в осяжному майбутньому.

Ефективний сонячний елемент виробляє більше електроенергії із заданої кількості світла порівняно з неефективним. Ефективність залежить від кількох факторів, включаючи матеріали, що використовуються в самій фотоелектричній батареї, скло, що використовується для покриття комірки, та електричну проводку комірки. Покращення, такі як матеріали, які перетворюють більшу частину світлового спектру Сонця на електрику, радикально збільшили ефективність сонячних елементів. Майбутні досягнення, ймовірно, ще більше збільшать ефективність, відбиваючи більше електричної енергії від світла.

Традиційна фотоелемента - це плоский шматок кремнієвого матеріалу, покритий склом і прикріплений до металевої панелі; це ефективно, але не дуже гнучко. Сучасні дослідження фотоелектричних матеріалів призвели до того, що комірки намальовані на різних поверхнях, включаючи папір та пластикові листи. Інша техніка розміщує надтонку плівку матеріалу на склі, в результаті чого з’являється вікно, яке пропускає світло і виробляє електрику. Більша різноманітність фотоелектричних матеріалів у майбутньому може призвести до фарб будинків на сонячних батареях, мощення доріг, пальто, яке заряджає ваш мобільний телефон, та інших сучасних додатків.

Досягнення нанотехнологій, вивчення властивостей матеріалу на атомному та молекулярному рівнях, мають великий потенціал для поліпшення фотоелектричних елементів. Наприклад, розмір мікроскопічних частинок у фотоелектричних матеріалах впливає на їх здатність поглинати певні кольори світла; шляхом точного налаштування розміру та форми молекул вчені можуть підвищити їх ефективність. Нанотехнології також можуть одного разу привести до настільного 3D-принтера, який виробляє атомно точні сонячні елементи та інші пристрої за дуже низькою вартістю.

Хоча фотоелектричні елементи мають великі перспективи в майбутніх додатках, вони також будуть боротися з певними жорсткими фізичними обмеженнями. Наприклад, малоймовірно, що повністю задіяний на сонці пасажирський автомобіль матиме характеристики чи корисність типової поточної моделі, що працює на газі. Хоча транспортні засоби, що працюють на сонці, брали участь у змаганнях, це здебільшого вузькоспеціалізовані прототипи на мільйон доларів, які вимагають сонячних умов пустелі. Обмежуючим фактором є сонячне світло, яке отримує Земля, яке за ідеальних умов становить 1000 Вт на метр. Найменший практичний електричний двигун для автомобіля вимагає близько 40 кВт енергії; при 40-відсотковій ефективності це означає сонячну панель площею 100 квадратних метрів або 1000 квадратних футів. З іншого боку, практична сонячна панель може коли-небудь запустити невеликий малолітражний автомобіль для епізодичного використання або розширити діапазон руху для роз’ємного гібрида. Обмежена енергія сонячного світла обмежує продуктивність будь-якого транспортного засобу, який покладається на фотоелектричні елементи.