Vibe Images / Shutterstock Electricity us around us. Ať už v sítích silových kabelů zakrývajících každý rozvinutý národ, nebo v proudech proudících lidským krevním oběhem, aby srdce bilo, elektřina pohání naše životy. Podpořilo velké pokroky minulého století a hlad po dalších - a efektivnějších - prostředcích na výrobu elektřiny stále roste.
Generování obrovského příkonu, který pohání planetu, není malý úkol, zejména s ohledem na to, že vyžaduje hltavou spotřebu zdrojů, jako je uhlí a plyn. Přírodní zdroje jsou omezené a procesy jejich těžby a využívání jsou často destruktivní. Jak technologie postupuje a globální populace nabývá, čistá a obnovitelná energie se stane svatým grálem. Cesta výzkumu obnovitelné energie zahrnuje metody, jako je fúze za studena, ale prozatím se jedná o sny o potrubí. Existuje však velký a hrozný zdroj energie, který, pokud není neomezený, pravděpodobně vydrží miliardy let. Zdroj, o kterém mluvíme, je slunce; srdce sluneční soustavy a nejhojnější zdroj energie v našem dosahu.
Starověké kultury často uctívaly slunce jako boha, a to jak pro jeho oslepující vzhled, tak pro schopnost pěstovat plodiny. I když uctívání Atona a Heliose mohlo vymřít, slunce nadále působí na naši planetu prvotně, ať už tím, že vyživuje růst celých ekosystémů, nebo je zabíjí suchem. Nyní, s nejnovějším technologickým vývojem, nám slunce může dokonce poskytnout neomezenou sílu do budoucna.
Proces přeměny světla na elektřinu je známý jako „fotovoltaika“. Slovo fotovoltaika pochází z řeckého slova „phos“ (světlo) a z termínu volt, jednotka měření elektromotorické síly. Fotovoltaické články jsou zařízení konstruovaná k zachycení slunečního světla a jeho přeměně na použitelnou elektřinu. Solární panely, velké povrchy, které shromažďují sluneční světlo a přeměňují ho na elektřinu, vyrobené z mnoha fotovoltaických článků, které provádějí proces generování elektrického náboje ze slunečního záření.
Polovodiče: doping bez skandálu
Solární článek je vyroben z polovodičového materiálu, jako je křemík. Polovodiče spadají mezi vodiče a izolátory, pokud jde o jejich kapacitu pro průchod elektřiny, proto název. Křemík, i když sám o sobě relativně špatný vodič, propaguje krystalickou strukturu, díky níž se dobře hodí pro výrobu polovodičů. Vzhledem k tomu, že vnější obal atomu křemíku je jen z poloviny plný elektronů, bude se silně vázat na další atomy, když se snaží naplnit svůj obal.
Aby byl křemík vodivější, lze mu dát „nečistoty“ kombinací s jinými prvky. Jedná se o proces zvaný „doping“ a křemík dotovaný nečistotami umožňuje volnější pohyb elektronů. U silikonového polovodiče existují dvě části, každá dotovaná jiným materiálem. První je dopovaný fosforem, který má ve svém obalu pět atomů. Když se spojí s křemíkem, ponechá jeden atom nevázaný. Protože tento elektron je držen pouze na místě jádrem, jeho uvolnění vyžaduje méně energie. Tím se vytvoří (negativní) křemík typu N.
Křemík lze také dopovat bórem, který má ve svém obalu pouze tři elektrony. Tím se vytvoří (pozitivní) křemík typu P, který nabízí otvory, které pak mohou volné elektrony vyplnit.
Když energie zasáhne křemík, může uvolnit další elektrony na straně N a budou se pohybovat, aby zaplnily otvory na straně P. Poté se elektrony typu N a typu P spojí a vytvoří elektrické pole. Ze solárního článku se stane dioda, která umožňuje elektronům pohybovat se z P na N, ale ne opačně.
Sluneční světlo dopadá na křemík a uvolňuje volné elektrony na straně N, které se poté pohybují a zaplňují otvory na straně P. Tento proces samozřejmě vyžaduje energii, aby zasáhl křemíkový článek. Tady přichází sluneční světlo. Sluneční světlo je tvořeno fotony, malými částicemi energie, které mohou zasáhnout solární článek a uvolnit elektrony na straně N. Tok volných elektronů z N na P vytváří při průchodu elektrický proud.
Jakmile je elektrické pole vytvořeno, zbývá ho pouze použít. K solárnímu článku je často připojen napájecí invertor - nebo častěji shluk článků označovaný jako modul - a převede elektřinu ze stejnosměrného (stejnosměrného) proudu na střídavý (AC), čímž je připraven k přepravě do domů nebo podniky.
Neúčinnosti a současný výzkum
Navzdory (pro všechny účely a účely) neomezené síle slunce je technologie převodu na použitelnou elektřinu stále poměrně neefektivní. Ne veškerá energie slunečního záření je absorbována solárním panelem. Ve skutečnosti je většina ztracena. Obecně řečeno, nejlepší solární články přemění pouze 25 procent přijaté energie na elektřinu. Je to proto, že sluneční světlo, stejně jako veškeré světlo, je složeno ze spektra několika různých vlnových délek, každá s vlastní úrovní intenzity. Některé vlnové délky budou příliš slabé, aby uvolnily elektrony. Jiné vlnové délky budou příliš silné na to, aby křemík mohl využívat jejich plnou energii.
Solární panely navíc vyžadují velmi specifické umístění. Úhel panelů musí být správný, aby zachytil maximální množství slunečního světla, a jak můžete očekávat, panely budou užitečné pouze v oblastech, kde je hodně slunce. Nepříznivé počasí může z řady panelů udělat velmi nákladnou a ne zcela zajímavou uměleckou instalaci.
Výzkum efektivnějších solárních panelů stále probíhá. Tenkovrstvé solární články vyrobené z kadmia jsou tenčí než křemíkové články a lépe absorbují sluneční energii. V současné době jsou také horší v přeměně této energie na elektřinu, ačkoli jejich nízké náklady a pohodlná velikost z nich činí atraktivní cestu pro další výzkum.
Druhým významným vývojem je „černý křemík“, který zní jako MacGuffin z fantasy příběhu, ale i přes zlověstné jméno je opravdu docela neškodný. Černý křemík je prostě křemík, který byl upraven tak, aby měl černý povrch. To je důležité, protože černé objekty absorbují více světla. Stručné osvěžení fyziky: viditelné světlo je rozděleno na různé vlnové délky, z nichž každá je vnímána jako řada barev. Vnímáme objekty tak, že mají určitou barvu, protože odrážejí danou vlnovou délku a pohlcují ostatní. Černé objekty absorbují všechny barvy, žádné neodrážejí, a proto vypadají černé.
Černý křemík by mohl být budoucností čisté energie a byl by také skvělým obalem alba Joy Division. LP3 Černý křemík má velký potenciál vytvářet absorpční solární články, zejména v oblastech, kde je sluneční světlo řídké nebo kde slunce obvykle dopadá pod malým úhlem. Velkou nevýhodou v současné době je, že proces vytváření černého křemíku mu dává větší povrch, což vede ke zvýšení rekombinace nosiče, což je událost, kdy se uvolněný elektron jednoduše rekombinuje se silikonovým článkem, spíše než aby se připojil k jinému atomu a produkující elektrický proud.
Nedostatky stranou, výzkum černého křemíku pokračuje a nedávno se vědcům ve Finsku podařilo snížit případy rekombinace nosičů, čímž se zvýšila přeměna energie na 22,1 procenta. Není to tak dobré jako typický křemík, ale přesto slibné zlepšení.
