Το Vibe Images / Shutterstock Electricity μας περιβάλλει. Είτε στα δίκτυα καλωδίων τροφοδοσίας καλύπτουν κάθε ανεπτυγμένο έθνος, είτε τα ρεύματα που περνούν από την ανθρώπινη κυκλοφορία του αίματος για να κρατήσουν την καρδιά να χτυπά, η ηλεκτρική ενέργεια οδηγεί τη ζωή μας. Έχει ενισχύσει τις μεγάλες προόδους του περασμένου αιώνα και η πείνα για περισσότερα - και ένα πιο αποτελεσματικό - μέσο παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας αυξάνεται πάντα.
Η παραγωγή της τεράστιας ισχύος που τροφοδοτεί τον κόσμο δεν είναι μικρή δουλειά, ειδικά λαμβάνοντας υπόψη ότι απαιτεί καταστροφική κατανάλωση πόρων όπως ο άνθρακας και το φυσικό αέριο. Ωστόσο, οι φυσικοί πόροι είναι πεπερασμένοι και οι διαδικασίες εξόρυξης και χρήσης τους είναι συχνά καταστροφικές. Καθώς η τεχνολογία εξελίσσεται και ο παγκόσμιος πληθυσμός διογκώνεται, η καθαρή και ανανεώσιμη ενέργεια θα γίνει το ιερό δισκοπότηρο. Τα έσοδα της έρευνας για ανανεώσιμες πηγές ενέργειας περιλαμβάνουν μεθόδους όπως η ψυχρή σύντηξη, αλλά προς το παρόν είναι όνειρα. Υπάρχει, ωστόσο, μια μεγάλη και τρομερή πηγή ενέργειας η οποία, αν όχι απεριόριστη, πιθανότατα θα διαρκέσει δισεκατομμύρια χρόνια. Η πηγή για την οποία μιλάμε είναι ο ήλιος. την καρδιά του ηλιακού συστήματος και την πιο άφθονη πηγή ενέργειας που έχουμε.
Οι αρχαίοι πολιτισμοί συχνά λάτρευαν τον ήλιο ως θεό, τόσο για την τυφλή εμφάνισή του όσο και για την ικανότητά του να καλλιεργεί τις καλλιέργειες. Ενώ η λατρεία του Άτεν και του Ήλιου μπορεί να έχει εξαφανιστεί, ο ήλιος συνεχίζει να ασκεί πρωταρχική επιρροή στον πλανήτη μας, είτε τροφοδοτώντας την ανάπτυξη ολόκληρων οικοσυστημάτων είτε σκοτώνοντας τα με ξηρασία. Τώρα, με τις πρόσφατες εξελίξεις στην τεχνολογία, ο ήλιος μπορεί ακόμη και να μας παρέχει απεριόριστη ισχύ προς τα εμπρός.
Η διαδικασία μετατροπής του φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια είναι γνωστή ως «φωτοβολταϊκά». Η λέξη φωτοβολταϊκή προέρχεται από την ελληνική λέξη «phos» (φως) και τον όρο volt, τη μονάδα μέτρησης της ηλεκτροκινητικής δύναμης. Τα φωτοβολταϊκά κύτταρα είναι συσκευές κατασκευασμένες για να συλλαμβάνουν το φως του ήλιου και να το μετατρέπουν σε χρησιμοποιήσιμο ηλεκτρισμό. Οι ηλιακοί συλλέκτες, οι μεγάλες επιφάνειες που συλλέγουν το φως του ήλιου και το μετατρέπουν σε ηλεκτρισμό, κατασκευάζονται από πολλά φωτοβολταϊκά στοιχεία που εκτελούν τη διαδικασία παραγωγής ηλεκτρικού φορτίου από το φως του ήλιου.
Ημιαγωγοί: ντόπινγκ χωρίς σκάνδαλο
Ένα ηλιακό στοιχείο είναι κατασκευασμένο από ημιαγώγιμο υλικό, όπως το πυρίτιο. Οι ημιαγωγοί πέφτουν μεταξύ αγωγών και μονωτών ως προς την ικανότητά τους να διαπερνούν ηλεκτρική ενέργεια, εξ ου και το όνομα. Το πυρίτιο, αν και ένας σχετικά φτωχός αγωγός από μόνος του, προσδίδει μια κρυσταλλική δομή που το καθιστά κατάλληλο για την κατασκευή ημιαγωγών. Επειδή το εξωτερικό κέλυφος ενός ατόμου πυριτίου είναι μόνο μισό γεμάτο ηλεκτρόνια, θα δεσμευτεί έντονα με άλλα άτομα καθώς προσπαθεί να γεμίσει το κέλυφος του.
Για να γίνει το πυρίτιο πιο αγώγιμο, μπορεί να δοθεί «ακαθαρσίες» συνδυάζοντάς το με άλλα στοιχεία. Αυτή είναι μια διαδικασία που ονομάζεται «ντόπινγκ» και το πυρίτιο με προσμίξεις επιτρέπει την ελεύθερη κυκλοφορία των ηλεκτρονίων. Με ημιαγωγό πυριτίου, υπάρχουν δύο μέρη, το καθένα με ένα διαφορετικό υλικό. Το πρώτο φέρει φώσφορο, το οποίο διαθέτει πέντε άτομα στο κέλυφος του. Όταν συνδέεται με το πυρίτιο, αφήνει ένα άτομο αδεσμευμένο. Επειδή αυτό το ηλεκτρόνιο συγκρατείται μόνο από τον πυρήνα, χρειάζεται λιγότερη ενέργεια για να το χτυπήσει. Αυτό παράγει πυρίτιο τύπου Ν (αρνητικό).
Το πυρίτιο μπορεί επίσης να προσβληθεί με βόριο, το οποίο έχει μόνο τρία ηλεκτρόνια στο κέλυφος του. Αυτό παράγει πυρίτιο τύπου P (θετικό), το οποίο προσφέρει τρύπες που μπορούν στη συνέχεια να γεμίσουν ελεύθερα ηλεκτρόνια.
Όταν η ενέργεια χτυπήσει το πυρίτιο, μπορεί να χτυπήσει τα επιπλέον ηλεκτρόνια στη Β πλευρά ελεύθερα και θα κινηθούν για να γεμίσουν τις τρύπες στην πλευρά Ρ. Στη συνέχεια, τα ηλεκτρόνια από τον τύπο Ν και τον τύπο Ρ ενώνονται και σχηματίζουν ένα ηλεκτρικό πεδίο. Το ηλιακό στοιχείο γίνεται μια δίοδος, επιτρέποντας στα ηλεκτρόνια να μετακινούνται από το P στο N, αλλά όχι το αντίθετο.
Το φως του ήλιου χτυπά το πυρίτιο, χτυπώντας τα ελεύθερα ηλεκτρόνια στη Ν πλευρά, τα οποία στη συνέχεια κινούνται για να γεμίσουν τις οπές στην πλευρά P. Φυσικά, αυτή η διαδικασία απαιτεί ενέργεια για να χτυπήσει το κελί πυριτίου. Εδώ μπαίνει το φως του ήλιου. Το φως του ήλιου αποτελείται από φωτόνια, μικρά σωματίδια ενέργειας που μπορούν να χτυπήσουν το ηλιακό κύτταρο και να χαλαρώσουν τα ηλεκτρόνια στη Β πλευρά. Η ελεύθερη ροή ηλεκτρονίων από το Ν στο Ρ, δημιουργεί ένα ηλεκτρικό ρεύμα καθώς περνούν.
Μόλις δημιουργηθεί το ηλεκτρικό πεδίο, το μόνο που μένει είναι να το χρησιμοποιήσουμε. Ένας μετατροπέας ισχύος συνδέεται συχνά με την ηλιακή κυψέλη - ή συνηθέστερα ένα σύμπλεγμα κυττάρων που αναφέρεται ως μονάδα - και θα μετατρέψει την ηλεκτρική ενέργεια από συνεχές ρεύμα (DC) σε εναλλασσόμενο ρεύμα (AC), καθιστώντας τον έτοιμο να μεταφερθεί σε σπίτια ή επιχειρήσεις.
Αναποτελεσματικότητα και τρέχουσα έρευνα
Παρά την (για όλες τις προθέσεις και τους σκοπούς) απεριόριστη ισχύ του ήλιου, η τεχνολογία μετατροπής του σε χρησιμοποιήσιμη ηλεκτρική ενέργεια εξακολουθεί να είναι μάλλον αναποτελεσματική. Δεν απορροφάται όλη η ενέργεια του ηλιακού φωτός από ένα ηλιακό πάνελ. Στην πραγματικότητα, το μεγαλύτερο μέρος του έχει χαθεί. Γενικά, τα καλύτερα ηλιακά κύτταρα θα μετατρέψουν μόνο το 25% της ενέργειας που λαμβάνουν σε ηλεκτρική ενέργεια. Αυτό συμβαίνει επειδή το φως του ήλιου, όπως και όλο το φως, αποτελείται από ένα φάσμα πολλών διαφορετικών μηκών κύματος, το καθένα με το δικό του επίπεδο έντασης. Μερικά μήκη κύματος θα είναι πολύ ασθενή για να χάνουν τα ηλεκτρόνια. Άλλα μήκη κύματος θα είναι πολύ ισχυρά για το πυρίτιο για να αξιοποιήσει την πλήρη ενέργειά τους.
Επιπλέον, τα ηλιακά πάνελ απαιτούν πολύ συγκεκριμένη τοποθέτηση. Η γωνία των πλαισίων πρέπει να είναι ακριβώς σωστή για να πιάσει τη μέγιστη ποσότητα ηλιακού φωτός και, όπως θα περίμενε κανείς, τα πάνελ θα είναι χρήσιμα μόνο σε περιοχές που έχουν πολλή ηλιοφάνεια. Ο κακός καιρός μπορεί να μετατρέψει μια σειρά πάνελ σε μια πολύ ακριβή και όχι εντελώς ενδιαφέρουσα εγκατάσταση τέχνης.
Συνεχίζεται η έρευνα για πιο αποτελεσματικά ηλιακά πάνελ. Τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης, κατασκευασμένα από κάδμιο, είναι πιο λεπτά από τα κύτταρα πυριτίου και είναι καλύτερα στην απορρόφηση της ηλιακής ενέργειας. Σήμερα είναι επίσης χειρότερα στη μετατροπή αυτής της ενέργειας σε ηλεκτρική ενέργεια, ωστόσο, το χαμηλό κόστος και το βολικό τους μέγεθος τις καθιστούν μια ελκυστική λεωφόρο για περαιτέρω έρευνα.
Η άλλη σημαντική εξέλιξη είναι το "μαύρο πυρίτιο", το οποίο μοιάζει με MacGuffin από μια ιστορία φαντασίας, αλλά είναι πραγματικά αρκετά αθώο παρά το δυσοίωνο όνομα. Το μαύρο πυρίτιο είναι απλώς πυρίτιο που έχει υποστεί επεξεργασία με μαύρη επιφάνεια. Αυτό είναι σημαντικό επειδή τα μαύρα αντικείμενα απορροφούν περισσότερο φως. Μια σύντομη ανανέωση της φυσικής: το ορατό φως διαιρείται σε διαφορετικά μήκη κύματος, το καθένα θεωρείται ως μια σειρά χρωμάτων. Αντιλαμβανόμαστε τα αντικείμενα ως ένα συγκεκριμένο χρώμα επειδή αντανακλούν το συγκεκριμένο μήκος κύματος ενώ απορροφούν άλλα. Τα μαύρα αντικείμενα απορροφούν όλα τα χρώματα, δεν αντανακλούν κανένα, και ως εκ τούτου εμφανίζονται μαύρο.
Το μαύρο πυρίτιο θα μπορούσε να είναι το μέλλον της καθαρής ενέργειας και θα έκανε επίσης ένα υπέροχο εξώφυλλο άλμπουμ Joy Division. LP3 Το μαύρο πυρίτιο έχει πολλές δυνατότητες να δημιουργήσει πιο απορροφητικά ηλιακά κύτταρα, ειδικά σε περιοχές όπου το φως του ήλιου είναι αραιό ή όπου ο ήλιος συνήθως χτυπά σε χαμηλή γωνία. Το μεγάλο μειονέκτημα αυτή τη στιγμή είναι ότι η διαδικασία δημιουργίας μαύρου πυριτίου του δίνει υψηλότερη επιφάνεια, οδηγώντας σε αύξηση του ανασυνδυασμού φορέα, ένα συμβάν όπου ένα απελευθερωμένο ηλεκτρόνιο απλά ανασυνδυάζεται με το κελί πυριτίου αντί να ταξιδεύει για να ενώσει ένα διαφορετικό άτομο και παράγοντας ηλεκτρικό ρεύμα.
Πέρα από τα μειονεκτήματα, η έρευνα για το μαύρο πυρίτιο συνεχίζεται και πρόσφατα οι επιστήμονες στη Φινλανδία κατάφεραν να μειώσουν τις περιπτώσεις ανασυνδυασμού φορέα, αυξάνοντας έτσι την μετατροπή ενέργειας στο 22,1%. Δεν είναι τόσο καλό όσο το τυπικό πυρίτιο, αλλά μια πολλά υποσχόμενη βελτίωση.
