Vibe Images / Shutterstock Elektrika nas obdaja. Bodisi v omrežju napajalnih kablov, ki pokrivajo vsak razvit narod, bodisi v strujah, ki se pretakajo skozi človeški krvni obtok, da bi srce še vedno bije, elektrika poganja naša življenja. Poganjal je velik napredek prejšnjega stoletja in lakota po več - in učinkovitejših - načinih za proizvodnjo električne energije vedno narašča.
Ustvarjanje velike moči, ki napaja svet, ni majhna naloga, še posebej, ker zahteva hudo porabo virov, kot sta premog in plin. Naravni viri so omejeni, postopki pridobivanja in uporabe pa so pogosto uničujoči. Ko bo tehnološki napredek naraščal, bo čista in obnovljiva energija postala sveti gral. Načini raziskav obnovljivih virov energije vključujejo metode, kot je hladna fuzija, vendar so to za zdaj sanjske sanje. Obstaja pa velik in strašen vir energije, ki bo, če ne neomejen, verjetno trajal milijarde let. Vir, o katerem govorimo, je sonce; srce sončnega sistema in najbolj obilen vir energije, ki ga dosežemo.
Starodavne kulture so pogosto častile sonce kot boga, tako zaradi njegovega zaslepljenega videza kot tudi sposobnosti za rast rastlin. Čeprav je čaščenje Atona in Heliosa morda zamrlo, sonce še naprej prvinsko vpliva na naš planet, bodisi s tem, da neguje rast celotnih ekosistemov ali jih ubija s sušo. Zdaj, ob nedavnem tehnološkem razvoju, nam sonce morda celo zagotavlja neomejeno moč naprej.
Postopek pretvorbe svetlobe v elektriko je znan kot "fotovoltaika". Beseda fotovoltaika izhaja iz grške besede "phos" (svetloba) in izraza volt, merska enota za elektromotorno silo. Fotonapetostne celice so naprave, izdelane za zajemanje sončne svetlobe in njeno pretvorbo v uporabno električno energijo. Sončne celice, velike površine, ki zbirajo sončno svetlobo in jo pretvarjajo v električno energijo, so narejene iz številnih fotonapetostnih celic, ki izvajajo postopek ustvarjanja električnega naboja iz sončne svetlobe.
Polprevodniki: doping brez škandala
Sončna celica je narejena iz polprevodniškega materiala, kot je silicij. Polprevodniki spadajo med prevodnike in izolatorje glede na njihovo sposobnost prehajanja električne energije skozi njih, od tod tudi ime. Silicij, čeprav je sam po sebi razmeroma slab prevodnik, kristalizira kristalno strukturo, zaradi česar je zelo primeren za gradnjo polprevodnikov. Ker je zunanja lupina silicijevega atoma le do polovice polna elektronov, se bo močno povezal z drugimi atomi, ko želi napolniti svojo lupino.
Da je silicij bolj prevoden, mu lahko damo "nečistoče", če ga kombiniramo z drugimi elementi. To je postopek, imenovan "doping", silicij, dopiran z nečistočami, pa omogoča prostejše gibanje elektronov. S silicijevim polprevodnikom sta dva dela, vsaka dopirana z drugačnim materialom. Prva je dopirana s fosforjem, ki ima v svoji lupini pet atomov. Ko se poveže s silicijem, ostane en atom brez vezi. Ker ta elektron na svojem mestu drži samo jedro, potrebuje manj energije, da ga sprosti. Tako nastane silicij tipa N (negativni).
Silicij lahko dopiramo tudi z borom, ki ima v svoji lupini le tri elektrone. Tako nastane P (pozitivni) silicij, ki ponuja luknje, ki jih lahko prosti elektroni nato zapolnijo.
Ko energija zadene silicij, lahko sprosti odvečne elektrone na N strani in se premaknejo, da zapolnijo luknje na P strani. Nato se elektroni iz N-tipa in P-tipa združijo in tvorijo električno polje. Sončna celica postane dioda, ki elektronom omogoča premikanje od P do N, ne pa tudi drugače.
Sončna svetloba zadene silicij in sprosti proste elektrone na strani N, ki se nato premaknejo, da zapolnijo luknje na strani P. Seveda ta postopek zahteva energijo, da zadene silicijevo celico. Tu pride sončna svetloba. Sončna svetloba je sestavljena iz fotonov, majhnih delcev energije, ki lahko zadenejo sončno celico in zrahljajo elektrone na strani N. Prosti pretok elektronov od N do P ustvarja električni tok ob prehodu.
Ko je električno polje ustvarjeno, ostane le, da ga uporabimo. Pretvornik moči je pogosto pritrjen na sončno celico - ali bolj pogosto na skupino celic, ki se imenuje modul - in bo pretvoril električno energijo iz enosmernega (DC) v izmenični tok (AC), zaradi česar bo pripravljen na prevoz do domov ali podjetja.
Neučinkovitost in trenutne raziskave
Kljub (za vse namene) sončni neomejeni moči je tehnologija za njegovo pretvorbo v uporabno električno energijo še vedno precej neučinkovita. Sončne plošče ne absorbirajo vse energije sončne svetlobe. Pravzaprav je večina izgubljena. Na splošno bodo najboljše sončne celice le 25 odstotkov prejete energije pretvorile v elektriko. To je zato, ker je sončna svetloba, tako kot vsa svetloba, sestavljena iz spektra več različnih valovnih dolžin, vsaka s svojo intenzivnostjo. Nekatere valovne dolžine bodo prešibke, da bi sprostili elektrone. Druge valovne dolžine bodo premočne, da bi silicij izkoristil svojo polno energijo.
Poleg tega sončne celice zahtevajo zelo natančno namestitev. Kot plošč mora biti ravno prav, da ujame največjo količino sončne svetlobe, in kot lahko pričakujete, bodo plošče uporabne samo na območjih, kjer je veliko sonca. Vreme lahko spremeni vrsto plošč v zelo drago in ne povsem zanimivo umetniško instalacijo.
Raziskave učinkovitejših sončnih kolektorjev potekajo. Tankoplastne sončne celice, izdelane iz kadmija, so tanjše od silicijevih celic in bolje absorbirajo sončno energijo. Trenutno tudi slabše pretvarjajo to energijo v električno energijo, vendar so zaradi nizke cene in primerne velikosti privlačna pot za nadaljnje raziskave.
Drugi pomemben razvoj je "črni silicij", ki se sliši kot MacGuffin iz fantazijske zgodbe, a je kljub zloveščemu imenu resnično precej neškodljiv. Črni silicij je preprosto silicij, ki je bil obdelan tako, da ima črno površino. To je pomembno, ker črni predmeti absorbirajo več svetlobe. Kratka osvežitev o fiziki: vidna svetloba je razdeljena na različne valovne dolžine, od katerih ima vsaka barvno paleto. Predmete dojemamo kot da imajo določeno barvo, ker odsevajo določeno valovno dolžino, medtem ko absorbirajo druge. Črni predmeti absorbirajo vse barve, ne odsevajo nobene, zato so videti črni.
Črni silicij bi lahko bil prihodnost čiste energije in bi bil tudi odličen ovitek albuma Joy Division. LP3 Črni silicij ima veliko potenciala za izdelavo bolj vpojnih sončnih celic, zlasti na območjih, kjer je sončna svetloba redka ali kjer sonce običajno zadene pod nizkim kotom. Velika pomanjkljivost v tem trenutku je, da mu postopek ustvarjanja črnega silicija daje večjo površino, kar vodi do povečanja rekombinacije nosilca, kar se zgodi, ko se osvobojeni elektron preprosto rekombinira s silicijevo celico in ne potuje, da bi se pridružil drugemu atomu in ki proizvaja električni tok.
Poleg pomanjkljivosti raziskave črnega silicija še potekajo, nedavno pa je finskim znanstvenikom uspelo zmanjšati število rekombinacij nosilcev in tako povečati pretvorbo energije na 22,1 odstotka. Ni tako dober kot tipični silicij, a kljub temu obetaven napredek.
