Как работают солнечные панели и что их ждет?

Как работают солнечные панели и что их ждет?

Однажды ископаемые источники энергии исчерпаются, и у человечества будет два варианта: либо найти способ создания контролируемых крошечных термоядерных реакций, либо максимально эффективно использовать энергию естественного термоядерного реактора – Солнца. Плюсы солнечной энергии в том, что её можно развивать постепенно, подстраиваясь под текущие нужды и двигаясь к моменту, когда она обеспечит наши потребности в электричестве. Но, что такое солнечная батарея, центральный элемент солнечной энергии, и как она работает?

Солнечный элемент (клетка, ячейка) или фотоэлемент – это любое устройство, которое может преобразовывать энергию фотона света в электричество. Не вся солнечная энергия является фотоэлектрической, так как некоторые технологии собирают тепло поглощенных фотонов, а не их непосредственную энергию. Тем не менее, с таким определением термин «фотоэлемент» охватывает широкий спектр различных технологий.

Как работают солнечные панели и что их ждет?

Все они имеют одну общую черту – они используют энергию фотона, чтобы привести  электроны в полупроводниковом материале из непроводящего состояния в проводящее. Это усложняется тем, что не все фотоны одинаковы. Свет поступает в форме волн различной длины и никакой полупроводниковый материал не может поглотить его полностью. Это значит, что для повышения эффективности нужно создавать гибридные ячейки с несколькими абсорбирующими материалами. 
Каждый полупроводниковых материал имеет «запрещенную зону» или спектр энергии электронов, который материал просто не выдержит. Эта зона лежит между возбужденным и невозбужденным состоянием электрона. Электрон в спокойном состоянии должен получить достаточно энергии, чтобы перейти через этот разрыв. Кремний имеет удобную и достижимую ширину запрещенной зоны, это позволяет кремнию быстро переходить между проводящим и непроводящим состоянием, в зависимости от положения электронов.
Такой материал, как графен, может быть лучшей основой для фотоэлектрического элемента, чем кремний, благодаря невероятной электрической эффективности и возможности размещать их более плотно, но ширина запрещенной зоны создает большие проблемы – графен не может переходить между состояниями только за счет энергии фотонов. Реальный прогресс станет возможным, когда будет создан доступный суперматериал, сочетающий в себе соответствующую ширину запрещенной зоны и лучшие механические и электронные свойства, чем у кремния. А до тех пор промежуточные обновления могут постепенно повышать функциональность кремниевых панелей.
Анти-отражающие покрытия увеличивают количество поглощенного света, а химический «допинг» транзисторов может улучшить оптические свойства кремний. Некоторые солнечные установки используют зеркала, чтобы сконцентрировать солнечное излучение в конкретных точках с большой поглощающей способностью. Многие приборы захватывают свет так, что входящие лучи отражаются внутри устройства, пока не поглощаются полностью. А прошлой осенью исследователи из Университета штата Мичиган разработали полностью прозрачные солнечные элементы.
Тепло также может быть важной частью солнечных панелей, если не поглощено световое излучение будет впитываться в качестве тепла. Использование этого тепла даже для мелких целей может поднять эффективность домашних солнечных станций.

Как работают солнечные панели и что их ждет?

Сейчас существует ряд полуфантастических концепций, которые подразумевают постройку космических солнечных установок, захватывающих свет, прежде, чем он попадает в атмосферу Земли. Например, Япония хочет построить гигаваттную солнечную станцию и передавать энергию из космоса на поверхность Земли беспроводным путем. Для этого они собираются использовать лазеры, но никто не знает, как поведет себя такое устройство на практике.
На протяжении нескольких десятилетий ученые ищут революционный подход производства электроэнергии из солнечного света. Но реальность такова, что, скорее всего, не будет никакого мгновенного прорыва. Технология будет постепенно развиваться, пока не станет достаточно эффективной.
Все виды солнечной энергии будут иметь значение, когда экологически чистая энергия развернется в глобальном масштабе. Если термоядерная энергетика не совершит прорыв или атомные станции не станут безопасней, можно поспорить, что солнечная энергия станет существенной частью энергетики будущего.

Еще о солнечных панелях:

Система Orphus
comments powered by Disqus
 
Top