Tłumaczenie Marta Tondera

Enrique García-García, Yahya Moubarak Meziani, Jesús Enrique Velázquez-Pérez i Jaime Calvo-Gallego

Na 57 hektarach nieużytków w Bazie Lotniczej Nellis w stanie Nevada w USA macierz fotowoltaiczna produkuje 15 MW słonecznej energii dla bazy. Zdjęcie dzięki uprzejmości US Air Force photo / Airman 1st Class Nadine Y Barclay; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

Gdy zapasy ropy naftowej kończą się, krzemowe ogniwa słoneczne oferują alternatywne źródło energii. Jak działają i jak możemy wykorzystać w pełni ich potencjał? Pośrednio słońce jest źródłem większej części energii na Ziemi: nie tylko tej w paliwach kopalnych i biomasie, ale także w energii wiatru, morskich fal, jak i w innych nośnikach. Stopniowo zwiększa się zainteresowanie wykorzystywaniem energii słonecznej bardziej bezpośrednio, przy użyciu ogniw fotowoltaicznych.

Słońce, stosunkowo stara gwiazda o średnim rozmiarze składająca się z plazmy, emituje energię jako promieniowanie elektromagnetyczne o szerokim spektrum. W odległości 150 milionów kilometrów nasza planeta otrzymuje około 1366 W/m² (1 W= 1 J·s) irradiancji od słońca, chociaż aż tyle nas nie dosięga, ponieważ atmosfera Ziemi odbija i pochłania około 30% tej energii. Nie mniej na każdy metr kwadratowy powierzchni Ziemi dociera około 1000 dżuli energii na sekundę.

Dla porównania, całkowite zużycie energii na świecie w 2010 roku wynosiło ok. 5 x 10²⁰ J. Jeśli założyć, że nasza planeta jest idealną kulą o promieniu 6370 km, Ziemia otrzymuje 1.8 x 10¹⁷ J/s, czego około 1.3 x 10¹⁷ J/s dociera do jej powierzchni. Tak więc w jedną godzinę słońce dostarcza Ziemi energii, która by wystarczyła nam na cały rok.

Jednakże nie jest to takie proste. W związku z czynnikami meteorologicznymi, deklinacją słońca i ruchem obrotowym Ziemi, tak naprawdę irradiancja wynosi mniej więcej 230 W/m2. Jeśli powtórzymy te same obliczenia używając tej liczby, czas potrzebny do zaopatrzenia Ziemi w energię słoneczną na cały rok wynosi pięć i pół godziny – co także jest bardzo imponującym wynikiem.

Promieniowanie słoneczne jest więc obiecującym źródłem energii, ale jak możemy je zbierać i stosować?

Co się dzieje w ogniwie fotowoltaicznym?

Podwaliny pod współczesne wykorzystanie energii słonecznej zostały położone w 1839 roku, gdy francuski fizyk Edmond Becquerel zaobserwował wzrost przewodnictwa elektrycznego w niektórych materiałach, gdy były wystawione na działanie światła: zjawisko jest obecnie znane jako zjawisko fotowoltaiczne. Tego fenomenu nie wyjaśniono aż do czasu rozwinięcia mechaniki kwantowej. Promieniowanie elektromagnetyczne można opisać jako strumień obiektów kwantowych zwanych fotonami. Gdy fotony są wchłaniane przez pewne substancje, elektrony z tych substancji mogą zostać pobudzone do wyższych stanów energetycznych (pasmo przewodnictwa), potencjalnie poprawiając przewodnictwo danej substancji.

Półprzewodniki, takie jak krzemień, są fotowoltaiczne, ponieważ energia fotonu odpowiada energii wymaganej do poruszenia jednego elektronu do pasma przewodnictwa. Jednakże, półprzewodniki same w sobie mają niewiele wolnych elektronów i zatem niskie przewodnictwo. Aby zwiększyć ich przewodnictwo elektryczne, niewielkie ilości innych substancji (domieszki) mogą być dodane w procesie domieszkowania.

Domieszkowany krzem jest najczęściej używanym materiałem w elektronice. Czysty krzem ma cztery elektrony walencyjne, które dzieli z czterema sąsiadującymi atomami. Dodawanie domieszek z większą lub mniejszą ilością elektronów walencyjnych (takich jak fosfor czy bor) zmienia przewodnictwo tej substancji. Fosfor ma pięć elektronów walencyjnych i gdy atom fosforu jest otoczony przez atomy krzemu, piąty elektron jest do niego tylko luźno przywiązany. To znaczy, że może łatwo osiągnąć pasmo przewodnictwa, przykładając się do wzrostu przewodnictwa substancji. Krzem domieszkowany fosforem nazywa się typu n (typ negatywny), ponieważ domieszkowanie zwiększa liczbę negatywnych wolnych ładunków (elektronów). Z drugiej strony, bor ma tylko trzy elektrony walencyjne, a brak czwartego elektronu powoduje powstanie „dziury” w sieci krystalicznej. Wraz z ruchem wolnych elektronów przez sieć z jednej dziury do następnej, pozytywnie naładowane dziury wydają się poruszać. Krzem domieszkowany borem jest znany jako krzem typu p (typ pozytywnego).

To zjawisko można wykorzystać w ogniwach słonecznych do zbierania energii słonecznej i przekształcania jej w energię elektryczną. Najprostsze ogniwo słoneczne można zbudować przez połączenie dwóch półprzewodników; jednego o typie p i jednego o typie n, nazywane złączem p-n. W takim złączu, elektrony z krzemu typu n „widzą” dziury w krzemie typu p i przemieszczają się, żeby je wypełnić i utworzyć parę elektron-dziura. Jednak, gdy foton uderza jedną z takich par, zostaje ona rozerwana i przepływ tych nowo-uwolnionych nośników ładunków (pozytywnych i negatywnych) przez materiał wytwarza prąd elektryczny.

Jednakże nie wszystkie z uwolnionych nośników ładunku przyczynią się do powstania prądu. Zamiast tego, duża część elektronów i dziur ponownie połączy się w pary, wydalając przy tym ciepło. To zmniejsza wydajność konwersji energii substancji fotowoltaicznej, czyli procent otrzymanej energii słonecznej, która jest przekonwertowana w energię elektryczną. To jest jeden z najważniejszych wyznaczników jakości ogniwa słonecznego. Obecnie dostępne na rynku krzemowe ogniwa mają wydajność około 20%, lecz usilnie pracuje się nad poprawą tego parametru.

Fotowoltaika w praktyce

Wiemy co się dzieje w środku ogniwa słonecznego, ale jak wygląda używanie ogniw słonecznych do zbierania energii słonecznej w praktyce? Standardowy moduł słoneczny ma około 1.3 m2 i składa się z sieci około 50 pojedynczych ogniw. W zależności od technologii, jeden moduł dostarcza ok. 200 W, więc zbiór pięciu modułów może dostarczyć energii wystarczającej przeciętnemu gospodarstwu domowemu – ok. 1 kW. W teorii całkowite zapotrzebowanie Europy można by zaspokoić pokrywając jedynie 1% kontynentu ogniwami słonecznymi. Jednak realnie patrząc energia słoneczna tylko częściowo rozwiąże nasze problemy energetyczne. W Europie w 2010 roku ok. 7% energii otrzymano przy użyciu technologii fotowoltaicznej, ale optymistyczne prognozy mówią, że nawet 30 do 50% naszego zapotrzebowania na energię mogłoby być pokryte tym sposobem. Podanie dokładniejszych liczb nie jest możliwe, ponieważ potrzebne rozwiązania technologiczne są cały czas rozwijane.

Komórkowa stacja bazowa zasilana woltaicznie Zdjęcie dzięki uprzejmości Aomorikuma; źródło zdjęcia: Wikimedia Commons

Jednym z ograniczeń stosowania energii słonecznej jest zależność ilości wyprodukowanego prądu od czynników środowiskowych takich jak zachmurzenie, kąt pod którym promienie słoneczne padają na panel, śnieg, deszcz, liście czy inne zanieczyszczenia i oczywiście pora nocna. Jednym ze sposobów na obejście tych problemów jest zbieranie energii słonecznej przy użyciu inteligentnej sieci, nowego rodzaju sieci elektrycznej która koordynuje produkcję prądu z kilku źródeł – takich jak ogniwa słoneczne, generatory cieplne i elektrownie atomowe – aby wyjść naprzeciw zapotrzebowaniu. W przypadku takiego rozprowadzania prądu ogniwa słoneczne pełnią coraz większą rolę.

Artystyczna wizja Międzynarodowej Stacji Kosmiecznej, która ma panele słoneczne o rozmiarze równym boisku do piłki nożnej, generujące aż 92 kW prądu Zdjęcie dzięki uprzejmości ESA / D Ducros

Również na mniejszą skalę ogniwa słoneczne są coraz bardziej popularne, a wyprodukowanego prądu można używać na miejscu – w domach, w telefonach przy autostradach, budynkach przemysłowych, łodziach, samochodach, a nawet w Międzynarodowej Stacji Kosmicznej (International Space Stationw1). Więc mimo że bardzo daleko nam do zebrania energii na potrzebnej na cały rok w pięć godzin, technologia fotowoltaiczna jest coraz bardziej opłacalnym źródłem energii. Następnym razem gdy włączysz czajnik czy telewizor pomyśl o świetle słonecznym które je częściowo zasila.

Organiczna fotowoltaika Panele fotowoltaiczne są oparte na krystalicznych półprzewodnikach – jak opisano powyżej – które są względnie drogie do wyprodukowania i przetworzenia. Alternatywną opcją są organiczne materiały fotowoltaiczne, które pozwalają na produkcję wielkich paneli słonecznych na giętkich podłożach w tańszych procesach, takich jak druk atramentowy. Potrzeba jednak jeszcze wielu badań aby poprawić ich wydajność.

Większość organicznych urządzeń fotowoltaicznych opiera się na cienkiej folii składającej się z części akceptującej elektrony (np. pochodne fulerenów) i części oddającej elektrony (zazwyczaj połączony polimer) pomiędzy dwoma elektrodami. Ważnym wymaganiem jest wymieszanie tych dwóch części aby otrzymać ciągłą sieć ścieżek dających i akceptujących elektrony dla nośników (elektronów lub dziur), żeby mogły osiągnąć właściwą elektrodę (patrz zdjęcie). Analiza promieniami Roentgena w Europejskim Ośrodku Synchrotronu Atomowego (ESRF) daje możliwość dokładnego zbadania tych substancji i poprawy ich właściwości.

Ta plastikowa folia jest zrobiona ze zmieszanej sieci donoró w (jasno brązowe) i akceptorów (ciemno brązowe), która pozwala na transfer ładunku między dwoma elektrodami (kolejno szare i bordowe paski na górze i na dole)
Zdjęcie dzięki uprzejmości ESRF

Aby dowiedzieć się więcej wejdź na stronę ESRF^w2.

ESRF jest członkiem EIROforum^w3, wydawcy Science in School.

Odnośniki internetowe

w1 – Aby dowiedzieć się więcej o zasilaniu słonecznym na statkach kosmicznych, pobierz European Space Agency’s booklet Satellite Power Systems: Solar Energy Used in Space.

w2 – Znajdujący się w Grenoble we Francji ESRF posiada największe źródło promieniowania synchrotronowego w Europie.

Dowiedz się więcej o organicznej fotowoltaice w ESRF.

w3 – EIROforum jest wynikiem współpracy między ośmioma największymi międzyrządowymi europejskimi ośrodkami badań naukowych i łączy ich zasoby, środki i kadrę aby wspierać europejską naukę w osiągnięciu swojego potencjału. Jako część programu edukacyjnego EIROforum wydaje magazyn Science in School.

Zasoby

Aby dowiedzieć się więcej o tym jak energia słoneczna jest pochłaniana przez ziemską atmosferę, patrz:

Shallcross D, Harrison T (2008) Uczniów można zachęcić i zaangażować do modelowania zmian klimatu. Science in School 9. www.scienceinschool.org/2008/issue9/climate/polish

Aby dowiedzieć się jak samemu zbudować ogniwo słoneczne, patrz:

Shallcross D, Harrison T, Henshaw S, Sellou L (2009) Looking to the heavens: climate change experiments. Science in School 12: 34-39. www.scienceinschool.org/2009/issue12/climate

Tatalovic M (2010) Solar cars: the future of road transport? Science in School 16: 50-53. www.scienceinschool.org/2010/issue16/solarcars

Na stronie Europejskiego Stowarzyszenia Przemysłu Fotowoltaicznego można znaleźć listę najczęściej zadawanych pytań i odpowiedzi dotyczących materiałów fotowoltaicznych.

Uniwersytet Nowej Południowej Walii w Australii wyprodukował elektroniczną książkę o substancjach fotowoltaicznych.

Strona National Renewable Energy Laboratory amerykańskiego wydziału ds. energii zawiera informacje o fotowoltaice i energii słonecznej.

Projekt EU-MENA bada możliwości generowania energii dla Środkowego Wschodu i Północnej Afryki oraz Europy używając terenów tamtejszych pustyń.

Jeśli zainteresował Cię ten artykuł, mogą Ci się również spodobać inne artykuły o energii w Science in School.

Wszyscy czterej autorzy artykułu pracują na Uniwersytecie Salamanki w Hiszpanii.

Enrique García-García zrobił licencjat z fizyki i magistra z fizyki i technologii laserów. W swoich badaniach koncentruje się na właściwościach elektrycznych ogniw słonecznych i na falach elektromagnetycznych o częstotliwościach rzędu teraherca (fale submilimetrowe).

Dr. Yahya Moubarak Meziani ukończył doktorat na kierunku fizyki półprzewodników na Uniwersytecie Montpellier we Francji. Od roku 2008 kieruje grupą badającą fale submilimetrowe.

Profesor Jesús Enrique Velázquez-Pérez zdobył doktorat na Université Paris-Sud we Francji w dziedzinie symulacji i rozwoju komponentów elektronicznych o wysokiej częstotliwości. Pracuje na Uniwersytecie Salamki od początku lat 90.

Badania dr. Jaime Calvo-Gallego skupiają się na komputerowych symulacjach urządzeń elektronicznych metodą Monte Carlo, transporcie cieplnym i urządzeniach terahercowych.

Przegląd

Wykorzystywanie energii słonecznej jest tematem szeroko dyskutowanym w wielu krajach na całym świecie, szczególnie w obliczu rosnącej świadomości o zmianie klimatu i zmniejszającej się ilości nieodnawialnych źródeł energii. Kraje zdają sobie sprawę z tego, że muszą zredukować swoją zależność od nieodnawialnych źródeł i równocześnie wprowadzać ustawy promujące odnawialne źródła energii.

Ten artykuł bardzo dobrze przedstawia jak półprzewodniki są używane w ogniwach fotowoltaicznych i podaje ogólne wiadomości na temat energii pochodzącej od słońca i ile z tej energii tak naprawdę jest zbieranej przez urządzenia z bateriami słonecznymi. Zagadnienia z artykułu mogą być użyte przy omawianiu szerszych tematów takich jak efekt fotoelektryczny, przewodniki, izolatory, półprzewodniki samoistne i domieszkowane, pasmowa teoria przewodnictwa i prąd elektryczny.

Proponowane pytania sprawdzające zrozumienie i rozszerzające treść artykułu:

1. Słońce jest potężnym źródłem energii odnawialnej. Mimo tego energia pochodząca ze słońca jest tylko ułamkiem naszego rocznego zużycia, dlaczego?
2. Wyjaśnij dlaczego półprzewodniki takie jak krzem są używane w ogniwach fotowoltaicznych.
3. Przewodnictwo półprzewodnika może być zwiększone poprzez domieszkowanie. Wyjaśnij jak w tym procesie powstają półprzewodniki typu p i n.
4. Jak używa się tych domieszkowanych półprzewodników w ogniwach fotowoltaicznych do zbierania energii słonecznej?
5. Jak wydajne są ogniwa fotowoltaiczne i jaka część europejskiej energii jest uzyskana przy użyciu fotowoltaiki?
6. Jakie czynniki wpływają na zmniejszoną wydajność zbierania energii słonecznej?

Ten artykuł świetnie nadaje sie do połączenia tematów odnawialnej energii (np. słonecznej) z problemami ze środowiskiem naturalnym. Zalety użytkowania komórek fotowoltaicznych i słonecznych ogrzewaczy do generowania prądu zostały tu dokładnie przedstawione. Jednakże, moglibyśmy również zachęcić uczniów do zbadania i przemyślenia efektów jakie będą miały takie urządzenia na naszą planetę w przyszłości. Jakie materiały są używane do produkcji paneli słonecznych, ogrzewaczy i komórek fotowoltaicznych? Czy proces ich wytwarzania nie szkodzi środowisku? Jak długo działają takie urządzenia i co się z nimi dzieje po zakończeniu pracy? Czy są wytwarzane z surowców nieodnawialnych? Jeśli tak, na jak długo starczy nam tych surowców? Biorąc pod uwagę wydajność urządzeń zasilanych przez słońce, czy są one opłacalne do wytwarzania i utrzymywania?

Catherine Cutajar, Malta

---

Rekomendacje recenzenta: Chemia, Fizyka, Energia słoneczna, Komórki Fotowoltaiczne, Półprzewodniki, Przewodnictwo, Odnawialne źródła energii, Nauka o środowisku Wiek 13+