Co to są krzemowe ogniwa słoneczne?
Ogniwa słoneczne to urządzenia przetwarzające energię światła na energię elektryczną. Aby działać poprawnie, komórki muszą być przykryte materiałem półprzewodnikowym, który może pochłaniać światło. Krzemowe ogniwa słoneczne są ogniwami słonecznymi pokrytymi krzemem i są najczęściej stosowanym typem. Ogniwa te są połączone szeregowo zwanymi modułami, a moduły są ze sobą połączone, tworząc układ, który wytwarza pożądane napięcie. Są one następnie umieszczane w pojemniku ochronnym za taflami szkła, które kierują światło słoneczne na komórki.
Gdy światło uderza w panel słoneczny, fotony są absorbowane przez materiał półprzewodnikowy. Elektrony są wyrzucane luźno i przepływają przez materiał wytwarzający elektryczność. Szereg krzemowych ogniw słonecznych przekształca tę energię w prąd stały (DC). W zintegrowanym systemie energia elektryczna jest następnie doprowadzana do sieci elektrycznej za pomocą falowników. Samodzielne produkty słoneczne przechowują energię elektryczną w bateriach.
Chociaż krzem jest bardzo powszechnym pierwiastkiem, zwykle wiąże się z krzemionką. Czysty krzem musi zostać wyekstrahowany z krzemionki, a następnie przetworzony w celu zwiększenia jej przewodności. Czysty krzem jest złym przewodnikiem elektryczności, ale po dodaniu pewnych zanieczyszczeń, zwykle atomów fosforu, staje się doskonałym przewodnikiem. Przetwarzanie to wymaga dużej ilości energii i odpowiada za wysoki koszt krzemowych ogniw słonecznych. Tradycyjnie wytwarzane ogniwa wykorzystują krzem monokrystaliczny w postaci masowej, który jest cięty na płytki.
Aby pomóc ograniczyć koszty, naukowcy opracowali cienkowarstwowe krzemowe ogniwa słoneczne. Wykorzystują one tylko około jeden procent krzemu, którego używałaby tradycyjna komórka, ale niestety są znacznie mniej wydajne. Opracowano komórki wykonane z wielu warstw cienkiej folii, które są tak samo wydajne jak droższe tradycyjne komórki, a jednocześnie zachowują zalety niższego kosztu, mniejszej wagi i większej elastyczności. Polikrystaliczne i amorficzne cienkowarstwowe ogniwa krzemowe to dodatkowe, tańsze opcje.
Kolejnym wyzwaniem dla naukowców jest znalezienie sposobu na zwiększenie efektywności krzemowych ogniw słonecznych. Światło słoneczne ma szeroki zakres długości fal zawierających fotony o szerokim zakresie energii. Niektóre z nich są zbyt słabe lub zbyt silne, aby utworzyć parę elektron-dziura wymaganą do przechwycenia przez materiał półprzewodnikowy. Większość ogniw ma tylko 15% wydajności, co oznacza, że wychwytują tylko 15% energii elektrycznej dostępnej w świetle słonecznym przechodzącym przez panele.
Na całym świecie trwają prace nad znalezieniem sposobów na zwiększenie wydajności i obniżenie kosztów krzemowych ogniw słonecznych. Znalezienie sposobów na zwiększenie wydajności cienkich warstw, a tym samym znaczne obniżenie kosztów, jest priorytetem projektu badawczego finansowanego przez Unię Europejską. Pewna japońska firma opracowała krzemowe ogniwa słoneczne do stosowania w wielu produktach o średniej wydajności 25%. Boeing-Spectrolab, amerykańska korporacja, opracowała koncentryczne krzemowe ogniwo słoneczne o wydajności 40,7%.
Konieczne są badania i rozwój Mare, zanim energia słoneczna stanie się głównym źródłem energii, ale jest to obszar, który cieszy się międzynarodową uwagą i finansowaniem. Wraz ze spadkiem kosztów i poprawą wydajności energia słoneczna może stać się znacznie bardziej powszechna. Nawet przy tych wyzwaniach krzemowe ogniwa słoneczne są już stosowane w różnych produktach. Obejmują one przedmioty codziennego użytku, takie jak kalkulatory, latarki, ładowarki do telefonów, fontanny wodne oraz domowe i komercyjne systemy ciepłej wody.