No reconocerías el precursor del panel photo voltaic moderno si lo vieras, y ¿quién sabe cómo se verán en el futuro?
El precursor del primer panel photo voltaic no period realmente un panel y ni siquiera usaba la luz del sol. Pero los procesos físicos observados por primera vez por el científico francés Antoine César Becquerel, en su laboratorio en 1839 y luego en barras de selenio por Willoughby Smith al revisar los cables telegráficos que se sumergirían bajo el Océano Atlántico, son esencialmente los mismos que suceden en las células solares en todas partes. Este Dia.
En pocas palabras: la luz brilla sobre un materials semiconductor, que luego produce una corriente eléctrica, sin partes móviles, sin vapor, sin turbinas.
El primer prototipo verdadero de celda photo voltaic fue creado en 1883 por Charles Fritts, un inventor de Nueva York, quien, dicho sea de paso, también jugueteó con resortes de relojes, accesorios de cortinas y acoplamientos de vagones de tren (oh, para ser un 19el ¡inventor del siglo XXI!) – y consistía en una fina capa de selenio esparcida sobre una placa de metallic, recubierta con una capa de lámina de pan de oro, tan fina que period casi transparente. Menos del 1 % de la energía lumínica absorbida por esta primera celda photo voltaic se convirtió en energía eléctrica, un hecho que no escapó a la atención de muchos de los ingenieros, físicos y empresarios de la época recién obsesionados con la promesa de las turbinas de carbón. .
Avance rápido a través de los años…
Recorremos 1905, pasando por el icónico Albert Einstein que publicó la física detrás del efecto fotoeléctrico (todo está en el nombre, amigos), hasta la introducción de la celda photo voltaic de óxido de cobre en 1927 y finalmente hasta 1941 cuando la silicona iluminó el futuro de la energía photo voltaic. células considerablemente. Durante la siguiente década más o menos, con la ayuda appreciable de la llegada de los transistores, finalmente se superó el estancamiento de la conversión de energía del 1%. Las tasas de conversión de energía aumentaron hasta el 6% y luego, a fines de la década de 1980, a alrededor del 20%, más o menos lo que puede esperar del panel de techo promedio (una matriz de células solares conjuntas) en la actualidad.
Bueno, los que ponemos en los techos, de todos modos.
Seguro que tienes bastantes a tu alrededor, adornando casas, supermercados y granjas solares.
Ellos eran instalado en el techo de la Casa Blanca en 1979 por el entonces presidente Jimmy Carter antes de que llegara Ronald Reagan y apagué la luz de energías renovables para las próximas décadas.
Estos paneles tipo techo consisten en células basadas en silicio, explica el Dr. Cameron Shearer, investigador en química de la Universidad de Adelaide. “Se componen de dos tipos de silicio. Uno es muy bueno para transportar electrones, mientras que el otro es muy bueno para transportar huecos” (o ausencias de electrones). Cuando se absorbe la luz, los electrones comienzan a moverse, creando una corriente.
Un segundo tipo de celda photo voltaic se encuentra típicamente en aplicaciones espaciales, donde las consideraciones de peso y eficiencia son supremas: en naves espaciales, satélites y observatorios espaciales. Estos tienen una serie de capas que absorben muchas energías diferentes de luz, no solo luz seen, del Sol, lo que los hace mucho más eficientes (con conversiones de energía que alcanzan el 48%), pero los materiales utilizados son mucho más caros.
Nuestras necesidades energéticas
En 2021, un complete de 1.032,5 TWh (teravatios-hora) de la energía solar se generó a nivel mundial. De eso, Australia, con su abundante luz photo voltaic y espacio abierto generó 31,19 TWh. Al comparar esto con la generación de energía world complete de todas las fuentes de energía de 28214 TWh en 2021 y teniendo en cuenta la cantidad promedio de luz photo voltaic que llega a Australia Central, el área de paneles solares necesarios para generar la electricidad utilizada en 2021 para todo el mundo sería un toque más de 55.000 km2, calcula Shearer. Esto es aproximadamente el 80% del estado de Tasmania, o un poco menos que el área de Croacia.
Para producir los 13340 TWh de energía consumidos a nivel mundial en 2021 (que incluye formas de energía no eléctrica, como el diésel, la gasolina y otros combustibles, por ejemplo), se necesitaría un área de alrededor de 340 000 km2. Parece mucho, pero el área cubierta por desiertos solo en el contenido australiano es de alrededor de 2,7 millones de km.2y esto no cube nada del área cubierta por techos adecuados.
Pero, según el Hoja de ruta internacional para fotovoltaicael mundo necesitará generar más de 60 TWh a través de la energía photo voltaic para alcanzar las emisiones netas cero.
Hay algunos cuellos de botella para la energía photo voltaic en este momento.
En primer lugar, es el mismo problema de hace 150 años: la eficiencia. Las celdas solares de techo actuales están limitadas por el materials del que están hechas, el silicio. La eficiencia de conversión de energía de una celda photo voltaic determinada está limitada por lo que se denomina Shockley Quiesser límite, que tiene en cuenta qué tan bien el materials absorbe energía y cuánta energía se pierde durante todo el proceso. Para el silicio, en el cero absoluto, la eficiencia de conversión de energía es del 33 %, pero en condiciones reales, alcanza un máximo de alrededor del 29 %.
Sin embargo, existe la esperanza de aumentar la eficiencia de las celdas solares en los techos, tanto en el diseño del panel como en la celda photo voltaic en sí.
Los paneles solares consisten en muchas células solares unidas entre sí, lo que conduce a puntos muertos de espacio y pérdidas de energía en las conexiones, por lo que no importa cuán cuidadoso sea el diseño, los paneles inevitablemente introducir cierta cantidad de ineficiencia.
Nueva tecnología de celdas solares
Uno de los materiales más prometedores con los que han estado trabajando los investigadores son las perovskitas, una clase de estructuras minerales, explica Shearer. El que muestra la mayor promesa es un haluro de plomo, que cuando se combina con silicio en células solares en tándem, se ha demostrado en laboratorios que es capaz de una conversión de energía del 31,25%.
Antes de que digas “eso no es tanto”, la eficiencia energética promedio de una central eléctrica de carbón en los EE. UU. es alrededor del 33%.
La perovskita en capas con silicona puede ser el camino del futuro para las células solares. La perovskita tiende a funcionar mejor con luz seen de alta energía (aquellas longitudes de onda que nos parecen más azules), mientras que el silicio tiende a funcionar mejor con longitudes de onda de menor energía o más rojas. La perovskita también puede ajustarse para absorber colores específicos (es decir, rojo, verde y azul) variando su química, lo que significa que si se alinean con sensibilidad, las pilas de perovskita y silicona sintonizadas podrían incluso llevar a toda la celda apilada a eficiencias superiores al 50 %.
Se están desarrollando otros materiales apilables, que puede leer más sobre aquí.
Entrevistado en el Revista de ex alumnos de Sídney, la profesora Anita Ho-Baillie ha estado trabajando con perovskitas y está encantada con el progreso. “Le tomó a la gente 40 años duplicar la eficiencia del silicio”, cube ella. “La perovskita alcanzó al silicio en solo 10 años”.
Además, la perovskita se puede imprimir, lo que hace que el proceso de fabricación sea mucho más rápido. tratando de hacerlos más estables a la degradación y apropiados para su uso comercial. “Simplemente es más fácil de manejar que el silicio”, cube Ho-Baillie. “Me tomaba cuatro semanas hacer una celda de silicio en el laboratorio. Con perovskita, solo lleva dos días”.
Leer más: Otro materials prometedor en el desarrollo de células solares son polímeros orgánicos conductores
Los paneles solares también deben recoger la mayor cantidad de luz posible. Por lo common, eso significa seguir el Sol y mover los paneles a través de maquinaria. Recientemente, un grupo de la Universidad de Stanford en los Estados Unidos ha produjo un dispositivo que recoge y concentra la luz del sol eliminando la necesidad de mover constantemente los paneles. Menos piezas móviles aumenta la longevidad de tales sistemas.
El tema de la gestión de residuos y recursos es un preocupacion seria. “Aunque las materias primas necesarias (silicio, plata, vidrio y plástico) no son raras, sigue siendo más fácil producir células solares en masa a partir de enviornment que producirlas a partir de células solares viejas”, cube Shearer. Pero ya hay empresas en Australia saltando al potencial comercial en el reciclaje de células solares e incluso la estructura de aluminio es parte de la conversación.
Almacenamiento de energía de las células solares
Finalmente, uno de los mayores avances que podemos esperar ver en este espacio durante la próxima década tiene menos que ver con las células solares, específicamente, y más con la forma en que almacenamos y usamos la energía de ellas y otras energías renovables, asegurando que las demandas pueden ser satisfechas fuera de las horas de producción.
Grandes baterías de iones de litio como las Batería Tesla de 100 megavatios conectados al parque eólico Hornsdale en el medio norte de Australia del Sur, son un desarrollo de la última década que ha surgido para apoyar la energía renovable.
Muchos residentes de Adelaide, incluido Shearer, también están conectados a la ‘central eléctrica digital’.
Esto significa que los paneles solares en su techo ocasionalmente entregan energía a la crimson. Pero, como explica Shearer, “el almacenamiento de baterías, en su conjunto, es muy pesado, y necesitamos electricidad para alimentar otras cosas además de nuestro hogar o nuestra crimson eléctrica, como el transporte de larga distancia o la industria pesada”.
La propia investigación de Shearer se centra en el almacenamiento de energía de otra manera: mediante el uso de la energía para separar el agua en sus componentes: hidrógeno y oxígeno. “Cuando se recombinan, crean agua y liberan energía”, cube, y señala que el hidrógeno también se puede usar como flamable. “Es un proceso completamente renovable, sin emisiones de carbono en ninguna etapa”. Para Shearer, el futuro de las energías renovables y las células solares en specific es brillante. A medida que avanzamos hacia un futuro sin emisiones de carbono, “veremos los beneficios de tener nuestros propios paneles solares, tener nuestras propias baterías”, cube. Con los avances en las celdas solares y otras energías renovables, además de la tecnología como las baterías y otros métodos de almacenamiento de energía química que surgen para respaldarlos, la próxima década o dos pueden verse muy diferentes de las últimas, y ciertamente diferentes de hace 150 años.
Historias de energía:
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