Innehållsförteckning
- Vad är en solcell?
- Vad menar vi av en solcells effektivitet?
Varför finns det en gräns för effektiviteten hos solpaneler?
Solpaneler representerar framtidens energi. Den maximala registrerade effektiviteten för en kommersiell solcell är dock 33 % på grund av vissa energibarriärer på molekylär nivå.
”I Jag skulle lägga mina pengar på sol och solenergi. Vilken kraftkälla! Jag hoppas att vi inte behöver vänta tills oljan och kolet tar slut innan vi tar itu med det.”- Thomas Edison
Alla i världen borde nu vara överens om att förnybar energi är den enda vägen framåt när det gäller att tillfredsställa mänsklighetens aptit på energi. Greta Thunberg har försökt påpeka detta vid flera tillfällen inför de mäktigaste ledarna i världens mest utvecklade nationer. Men som vi alla såg, kritiserades hon faktiskt
av flera världsledare, inklusive den amerikanske presidenten Donald Trump. att kalla honom en “ledare” känns som en sträcka. Poängen är att experterna alla vet att Greta har rätt. Men när det kommer till de olika grönare kraftalternativen som Greta nämner har var och en sina egna begränsningar.
Vindhastigheten fluktuerar enormt, vilket gör den opålitlig under stora delar av dagen. Du kan bygga dammar, men du kan inte driva hela världen med dem. Solljus är dock fritt tillgängligt under dagen över hela planeten, så man kan undra… vad är invändningen där? Tja, den
maximala
verkningsgraden för en kommersiellt tillgänglig solcell som hittills registrerats har varit 33,7 %. Detta har varit en av de största utmaningarna för solcellsindustrin, men varför finns det sådana begränsningar för effektiviteten hos en solpanel? Vi kommer snart till det svaret, men först är det viktigt för oss att förstå exakt vad en solcell är.
En solcell är en enhet som fångar upp energin av solen i form av direkt solljus och omvandlar det till elektrisk energi. En solcell är också känd som en solcell, vilket innebär att den omvandlar fotonerna som finns i ljuset till en spänningsskillnad (vilket i huvudsak betyder “elektrisk effekt”). För att förstå begränsningarna för en solcell måste vi titta närmare på dess konstruktion. En enkel pn-korsning (Photo Credit: Designua/Shutterstock) Solceller tillverkas med p-typ och n-typ kiselskivor. En kiselskiva av p-typ består av fler hål, vilket betyder att den saknar elektroner, medan skivan av n-typ har ett överskott av elektroner. Gränssnittet där dessa två gör kontakt kallas en junction (en PN-junction, för att vara mer exakt). PN-korsningen är den primära byggstenen i solcellen. Vad menar vi med effektiviteten hos en solcell?
Varje enhet som vi använder har en viss effektivitet kopplad till sig. Tänk på en maskin som producerar 10 ballonger per timme. Av dessa tio visar sig två ballonger ha ett hål eller någon annan typ av defekt. Detta innebär att maskinens effektivitet är 80 %, eftersom maskinen tar in de råvaror som krävs för att producera 10 ballonger, men omvandlar endast 80 % av det till användbar produktion. Sålunda representerar effektiviteten hos en anordning mängden användbar uteffekt som produceras per inmatningsenhet som tillförs den. Alla energiproducerande mekanismer har vissa effektivitetsgränser. (Fotokredit: rawf8/Shutterstock) På liknande sätt, den infallande strålningen på en solcell omvandlas inte helt till el. Endast en viss del av den energin (en mycket mindre del, som vi redan sett) kan utvinnas som användbart arbete. Det finns många olika mått på effektiviteten hos en solcell, men den vanligaste är Shockley-Queisser Limit . The Shockley -Queisser Limit, mer känd som SQ Limit, är det mest framträdande vetenskapliga måttet för solcellers effektivitet. Den mäter den teoretiska effektiviteten för en solcell med en enda PN-övergång under standardtestförhållanden (STC). STC uppskattar solens middagstid vid vår- och höstdagjämningarna i det kontinentala USA med solcellens yta riktad direkt mot solen (Solar Efficiency Limits). Gränsen mäts under vissa antaganden. Solcellen ska vara gjord av endast en typ av homogent material. Det kan bara finnas en pn-övergång per solcell och det antas att varje foton som har energi större än bandgapet kommer att omvandlas till elektrisk energi. Oroa dig inte om du inte vet innebörden av fotoner eller bandgap, vi kommer att diskutera dem nedan. Varför finns det en gräns för effektiviteten?
Processen att generera elektricitet med hjälp av solceller beror i första hand på ett mycket viktigt steg. Hoppandet av elektroner från ett valensband (PN-övergång för en solcell) till ett ledningsband (extern krets, såsom ett batteri). För din referens sägs elektroner i en normal atom utan externt tillförd energi vara i deras valensband. För att producera elektricitet måste dessa elektroner överföras till en extern krets, som kallas ledningsbandet. Elektroner hoppar inte från valensbandet till ledningsbandet av sig själva. En viss mängd energi, känd som bandgapet, måste tillhandahållas för att de ska kunna göra övergången.
Nu är den inkommande solstrålningen sammansatt av vågor med många olika våglängder, som visas i spektrumet ovan. De längre vågorna till vänster är de svagaste (har mindre energi), medan de kortare vågorna till höger är mer kraftfulla. Därmed har endast ett fåtal av dessa vågor den nödvändiga energin för att övervinna energibarriären. Låt oss ta en titt på ett exempel för att få en bättre bild av den tidigare nämnda processen. Betrakta ett paket fotoner (ljuspartiklar) som består av 100 vågor med olika våglängder som träffar en solcell gjord av kisel. Av dessa 100 vågor har 40 vågor energiekvivalenten till bandgapet av kisel, och kommer därmed att kunna producera elektricitet. Resten av vågorna kommer antingen att skingras som värme eller kommer att studsa tillbaka från cellens yta. Det finns alltså en gräns för effektiviteten hos en solcell. Som vi såg, visar sig tröskelenergibarriären för elektronisk övergång vara den primära orsaken till låg solfångareffektivitet. Det är dock inte den enda faktorn som påverkar det. Det finns många andra element som spelar en stor roll här.
Energin som lämnar solen och den som vi tar emot här på jorden är inte densamma. Detta beror på att strålning måste färdas genom den tjocka atmosfären som omger vår planet. Nu minskar olika fenomen som spridning och brytning av ljus dess intensitet. Ozonskiktet blockerar den skadliga ultravioletta strålningen från att nå oss (dessa vågor är skadliga för oss eftersom de besitter mer energi och därför kan skada cellerna i våra ögon). Dessa är dock vågorna som kan passera tröskelenergin och de når ytan sparsamt vilket återigen orsakar en minskning av solpanelernas effektivitet. Även om de flesta kommersiella solceller, för närvarande tillgängliga för oss inte kan passera 33%-ribban när det gäller konvertering, framtiden verkar ljus. Forskare som arbetar med perovskitmaterial för flexibla lysdioder och nästa generations solceller vid University of Cambridge har upptäckt att de kan vara mer effektiva när deras kemiska sammansättningar är mindre ordnade (något som inte omfattas av denna artikel), vilket avsevärt förenklar produktionsprocesser och sänka kostnaden-Physics.org. Återigen har forskare runt om i världen arbetat med nyare material som galliumnitrid , Germanium, indiumfosfid och andra. Många tror att dessa material effektivt kommer att använda hela solspektrumet för att omvandla till elektricitet genom att ändra bandgap-gränserna för solceller med flera korsningar. Sammantaget ser framtiden ljus ut för solenergiindustrin. Branden i Australien och Amazonas har släppt ut en otrolig mängd kol i atmosfären, så mycket att vår planet kanske inte kan absorbera den tillbaka förrän 2050. Global uppvärmning är inte längre ett framtida problem; det är en fullskalig verklighet och det är ingen idé att förneka det. Miljövänner har tröttnat på att berätta för världen att grön energi är den enda vägen framåt, men vissa ledare förkastar fortfarande sanningen. Den lägre verkningsgraden hos solceller har ofta nämnts som orsaken till att de inte används som substitut för fossila bränslen. Problemet är dock att multinationella företag och regeringar fortsätter att lägga enorma summor på forskning och utveckling av petroleum- och kolbaserad energiproduktion, och försummar forskning och förbättringar av de grönare och säkrare alternativen. Det har till exempel gjorts upptäckter av material med lägre energibandgap som kan fungera som en möjlig lösning på problemet, men vi behöver att världen uppmärksammar och investerar i den här typen av forskning! Vad världen behöver förstå och acceptera är att det bara finns en väg framåt om vi vill att vår art ska överleva – den gröna och hållbara vägen! ,,,,,Vad är en solcell?
Vad är Shockley–Queisser-gränsen?
Energibandgap mellan olika material (Fotokredit: udaix/Shutterstock)
Ljusvågbandsspektrum (Foto: Fouad A. Saad/Shutterstock)
Vilka är de andra faktorerna som påverkar effektiviteten?
Ozonskiktet blockerar UV-strålar med hög energi från att nå ytan. (Fotokredit: Designua/Shutterstock)
Finns det några lösning på problemet?
Ett sista ord
Referenser
,,,,
,
,
,,,,
,,,,,
,,,,,
,,