Prečo solárne panely nemôžu byť účinné viac ako 33,7 %?

Solárna energia je čoraz dôležitejšia súčasť našej budúcnosti. Ale vedeli ste, že existuje teoretické maximum účinnosti pre bežné solárne panely – okolo 33,7 %? V tomto článku sa pozrieme na to, prečo je toto číslo také, aké je, a ako sa technológia solárnych panelov neustále zlepšuje napriek týmto limitom. Video od Looking Glass Universe nám ponúka fascinujúci pohľad do sveta polovodičov, band gap-ov a ekonomiky výroby solárnej energie.

Kľúčové poznatky

• Limit Shockleyho-Queissera: Teoretická maximálna účinnosť pre jednoduché solárne články je okolo 33,7 %.
• Farba a energia: Nie všetky farby slnka majú dostatok energie na to, aby excitovali elektróny cez band gap polovodiča.
• Kritická rola kremíka: Hoci existujú drahšie materiály s mierne lepším potenciálom, kremík zvíťazil vďaka svojej dostupnosti a masovej výrobe.
• Cena solárnej energie klesá: Vďaka ekonomike rozsahu sa cena solárnych panelov za posledné desaťročia dramaticky znížila.
• Batérie ako riešenie pre prerušovanosť: Batérie sa stávajú čoraz dostupnejšími a umožňujú skladovanie energie, keď nesvieti slnko.

Ako funguje solárna energia?

Solárne panely premieňajú slnečné svetlo na elektrinu pomocou polovodičov. Polovodiče sú materiály, ktoré majú vlastnosti medzi vodičmi a izolantmi. Kľúčovým faktorom je tzv. band gap – to je minimálna energia fotónu (svetla), ktorú musí mať, aby excitoval elektrón a vytvoril prúd.

Nie všetky farby slnka majú dostatok energie na prekonanie band gap-u. Napríklad infračervené svetlo má príliš nízku energiu a modré svetlo má príliš vysokú. To znamená, že časť slnečného žiarenia je nevyužiteľná, čo obmedzuje celkovú účinnosť solárneho panelu.

Shockley-Queisserov limit: Teoretické maximum

Študenti William Shockley a Hans Queisser v 50. rokoch minulého storočia vypočítali teoretickú maximálnu účinnosť pre jednoduchý polovodičový solárny článok – okolo 33,7 %. Toto číslo je dané fyzikálnymi vlastnosťami polovodiča a tým, ako efektívne dokáže využiť rôzne farby slnka.

Prečo kremík stále dominuje?

Hoci existujú materiály ako gálium arzenid, ktoré majú teoreticky o niečo lepší potenciál, kremík je naďalej najpoužívanejší materiál pre solárne panely. Dôvodom je jeho obrovská dostupnosť a relatívne nízka cena. Vďaka masovej výrobe sa ceny solárnych panelov za posledné desaťročia dramaticky znížili, čo ich robí cenovo dostupnou alternatívou k fosílnym palivám.

Solárna energia: Čoraz lacnejšia a efektívnejšia

Cena solárnej energie sa neustále znižuje vďaka ekonomike rozsahu a technologickému pokroku. Od roku 1990 cena klesla o faktor 45 a od roku 2011 až osemkrát! A hoci teoretický limit účinnosti pre jednoduché solárne články existuje, výskum a inovácie stále vedú k zlepšovaniu efektivity.

Riešenie prerušovanosti: Batérie a budúcnosť

Jednou z hlavných výziev spojených so solárnou energiou je jej prerušovanosť – slnko nesvieti 24 hodín denne. Našťastie, ceny batérií tiež klesajú, čo umožňuje skladovanie energie na použitie v noci alebo počas zamračenej oblohy. Kombinácia solárnych panelov a batérií predstavuje sľubné riešenie pre zabezpečenie stabilného zdroja elektrickej energie.

Záver: Kremík zvíťazil, ale inovácie pokračujú

Hoci sa môže zdať, že 33,7 % je limit, ktorý solárne panely nemôžu prekonať, výskum a inovácie v oblasti solárnej technológie stále pokračujú. Vďaka kombinácii ekonomiky rozsahu, technologického pokroku a dostupnosti batérií sa solárna energia stáva čoraz dôležitejšou súčasťou našej energetickej budúcnosti. Kremík síce zvíťazil vďaka svojej cenovej dostupnosti, ale vývoj nových materiálov a technológií môže priniesť ďalšie zlepšenia v účinnosti solárnych panelov v nasledujúcich rokoch.

Zdroje

• Originálne video
• Podujatia
• Môžeme si dovoliť rozsiahlu solárnu fotovoltaiku? – od Briana Pottera
• Pochopenie solárnej energie – od Briana Pottera
• Ako sa stala solárna energia cenovo dostupnou? Časť I. – od Briana Pottera
• Ceny solárnych fotovoltických panelov – Svetové dáta
• Turning Dirt into Silicon - YouTube
• Náušnice s ikonou matematiky – Matematické doplnky Matematické zaujímavosti, hry a darčeky

Približne 146 gCO₂ bolo uvoľnených do atmosféry a na chladenie sa spotrebovalo 0.73 l vody za účelom vygenerovania tohoto článku.