Masa depan energi matahari yang cerah

Penjelasan rinci dan sederhana tentang pengoperasian panel surya dan prakiraan masa depan

Cara minum teh di Tibet

Ulasan baru - baru ini dari panel surya kami mungkin meninggalkan kesan bahwa mengumpulkan energi matahari adalah hal baru, tetapi orang-orang telah mengeksploitasi itu selama ribuan tahun. Dengan bantuannya, mereka memanaskan rumah, memasak, dan memanaskan air. Beberapa dokumen paling awal yang menggambarkan pengumpulan tanggal energi matahari kembali ke Yunani kuno. Socrates sendiri berkata, "di rumah-rumah yang menghadap ke selatan, matahari musim dingin menembus galeri, dan di musim panas jalan matahari melewati kepala kita dan langsung di atas atap, yang menyebabkan bayangan terbentuk." Dia menggambarkan bagaimana arsitektur Yunani menggunakan ketergantungan jalur surya pada musim.

Pada abad ke-5 SM Orang Yunani menghadapi krisis energi. Bahan bakar utama, arang, berakhir saat mereka menebang semua hutan untuk memasak dan memanaskan rumah. Kuota untuk kayu dan batu bara diperkenalkan, dan kebun zaitun harus dilindungi dari warga. Orang-orang Yunani mendekati krisis, merencanakan pembangunan kota dengan hati-hati, untuk memastikan bahwa setiap rumah dapat memanfaatkan sinar matahari yang dijelaskan oleh Socrates. Kombinasi teknologi dan regulator yang tercerahkan berhasil, dan krisis dihindari.

Seiring waktu, teknologi mengumpulkan energi panas matahari hanya tumbuh. Penjajah New England meminjam teknologi membangun rumah-rumah dari Yunani kuno untuk tetap hangat di musim dingin. Pemanas air matahari pasif sederhana, tidak lebih rumit dari barel yang dicat hitam, dijual di AS pada akhir abad ke-19. Sejak itu, kolektor surya yang lebih canggih telah dikembangkan yang memompa air melalui panel yang menyerap atau memfokuskan cahaya. Air panas disimpan dalam tangki terisolasi. Dalam iklim beku, sistem dua fluida digunakan di mana matahari menghangatkan campuran air dengan antibeku yang melewati spiral dalam tangki penyimpanan air, yang memainkan peran lain, peran penukar panas.


Kolektor surya di atap Siprus

Saat ini, banyak sistem komersial canggih tersedia untuk memanaskan air dan udara di rumah. Kolektor surya dipasang di seluruh dunia, dan sebagian besar per kapita di Austria, Siprus, dan Israel.


Atap Solar Collector di Washington DC

Sejarah modern panel surya dimulai pada tahun 1954, dengan penemuan cara praktis untuk mengekstraksi listrik dari cahaya: laboratorium Bell menemukan bahwa bahan fotovoltaik dapat dibuat dari silikon. Penemuan ini menjadi dasar panel surya saat ini (perangkat yang mengubah cahaya menjadi listrik) dan meluncurkan era baru energi matahari. Melalui penelitian intensif, era energi surya saat ini berlanjut, dan matahari berniat untuk menjadi sumber energi utama di masa depan.

Apa itu sel surya?

Jenis sel surya yang paling umum adalah perangkat semikonduktor silikon, kerabat jauh dari dioda keadaan padat. Panel surya terbuat dari satu set sel surya yang terhubung satu sama lain dan menciptakan arus keluaran dengan tegangan dan gaya yang diinginkan. Elemen dikelilingi oleh selubung pelindung dan ditutupi dengan kaca jendela.

Sel surya menghasilkan listrik karena efek fotovoltaik, yang tidak ditemukan sama sekali di laboratorium Bell. Ini pertama kali ditemukan pada tahun 1839 oleh fisikawan Perancis Alexander Edmond Becquerel, putra fisikawan Antoine Cesar Becquerel dan ayah dari fisikawan Antoine Henri Becquerel, yang menerima Hadiah Nobel dan menemukan radioaktivitas. Sedikit lebih dari seratus tahun kemudian, terobosan dalam pembuatan sel surya dicapai di laboratorium Bella, yang menjadi dasar untuk menciptakan jenis sel surya yang paling umum.

Dalam bahasa fisika keadaan padat, sel surya dibuat berdasarkan persimpangan pn dalam kristal silikon. Transisi dibuat dengan menambahkan sejumlah kecil cacat yang berbeda ke area kristal yang berbeda; antarmuka antara area-area ini akan menjadi transisi. Di sisi n, elektron membawa arus, dan di sisi p - lubang di mana elektron tidak ada. Di wilayah yang berdekatan dengan antarmuka, difusi muatan menciptakan potensi internal. Ketika sebuah foton dengan energi yang cukup masuk ke dalam kristal, ia dapat merobohkan sebuah elektron dari sebuah atom dan menciptakan pasangan lubang elektron baru.



Sebuah elektron yang baru dirilis tertarik ke lubang di sisi lain transisi, tetapi karena potensi internalnya, ia tidak dapat melewatinya. Tetapi jika elektron diberi jalur melalui sirkuit eksternal, mereka akan melaluinya dan menerangi rumah kita di sepanjang jalur. Mencapai sisi lain, mereka bergabung kembali dengan lubang. Proses ini berlanjut saat matahari bersinar.

Energi yang dibutuhkan untuk melepaskan elektron yang terikat disebut celah pita. Ini adalah kunci untuk memahami mengapa sel fotovoltaik memiliki batasan efisiensi yang melekat. Celah pita adalah properti konstan kristal dan pengotornya. Kotoran diatur sedemikian rupa sehingga celah pita sel surya dekat dengan energi foton dari spektrum yang terlihat. Pilihan semacam itu ditentukan oleh pertimbangan praktis, karena cahaya tampak tidak diserap oleh atmosfer (dengan kata lain, sebagai hasil evolusi, orang telah memperoleh kemampuan untuk melihat cahaya dengan panjang gelombang paling umum).

Energi foton dikuantisasi. Sebuah foton dengan energi kurang dari celah pita (misalnya, dari bagian inframerah spektrum) tidak dapat membuat pembawa muatan. Itu hanya memanaskan panel. Dua foton inframerah tidak akan berfungsi, bahkan jika energi totalnya cukup. Sebuah foton energi sangat tinggi (misalnya, dari rentang ultraviolet) akan merobohkan elektron, tetapi energi berlebih akan terbuang sia-sia.

Karena efisiensi didefinisikan sebagai jumlah energi dari insiden cahaya pada panel dibagi dengan jumlah listrik yang diterima - dan karena sebagian besar energi ini akan hilang - efisiensi tidak dapat mencapai 100%.

Celah pita sel surya silikon adalah 1,1 eV. Seperti yang dapat dilihat dari diagram spektrum elektromagnetik, spektrum yang terlihat berada di wilayah tersebut sedikit lebih tinggi, sehingga setiap cahaya tampak akan memberi kita listrik. Tetapi ini juga berarti bahwa sebagian energi dari masing-masing foton yang diserap hilang dan diubah menjadi panas.



Hasilnya, ternyata bahkan dengan panel surya ideal yang diproduksi di bawah kondisi sempurna, efisiensi maksimum teoretis akan menjadi sekitar 33%. Untuk panel yang tersedia secara komersial, efisiensi biasanya 20%.

Perovskites

Sebagian besar panel surya yang dipasang secara komersial dibuat dari sel silikon yang dijelaskan di atas. Tetapi laboratorium di seluruh dunia sedang meneliti bahan dan teknologi lainnya.

Salah satu bidang yang paling menjanjikan akhir-akhir ini adalah studi tentang materi yang disebut perovskit. Mineral perovskit , CaTiO ₃ , dinamai pada tahun 1839 untuk menghormati negarawan Rusia Count L. A. Perovsky (1792-1856) , yang merupakan seorang kolektor mineral. Mineral itu dapat ditemukan di salah satu benua di Bumi dan di awan setidaknya satu planet ekstrasurya. Perovskit juga disebut bahan sintetis yang memiliki struktur kristal belah ketupat yang sama dengan perovskit alami dan memiliki struktur kimia yang serupa dalam struktur.



Bergantung pada unsur-unsurnya, perovskit memperlihatkan berbagai sifat yang bermanfaat, seperti superkonduktivitas, daya tarik magnet raksasa, dan sifat fotovoltaik. Penggunaannya dalam sel surya menyebabkan banyak optimisme, karena efektivitasnya dalam penelitian laboratorium telah meningkat selama 7 tahun terakhir dari 3,8% menjadi 20,1%. Kemajuan cepat menginspirasi kepercayaan di masa depan, terutama karena keterbatasan efisiensi menjadi lebih jelas.

Dalam percobaan baru-baru ini di Los Alamos, ditunjukkan bahwa sel-sel surya dari perovskit tertentu mendekati efisiensi silikon, sementara lebih murah dan lebih mudah untuk dibuat. Rahasia dari daya tarik perovskit adalah kemampuan untuk dengan cepat dan mudah menumbuhkan kristal berukuran milimeter tanpa cacat pada film tipis. Ini adalah ukuran yang sangat besar untuk kisi kristal ideal, yang, pada gilirannya, memungkinkan elektron untuk melakukan perjalanan melalui kristal tanpa gangguan. Kualitas ini mengkompensasi sebagian celah pita tidak sempurna sebesar 1,4 eV, dibandingkan dengan nilai silikon yang hampir ideal sebesar 1,1 eV.

Sebagian besar penelitian yang bertujuan meningkatkan efisiensi perovskit dikaitkan dengan pencarian cara untuk menghilangkan cacat pada kristal. Tujuan utamanya adalah membuat seluruh lapisan untuk elemen dari kisi kristal yang ideal. Para peneliti di MIT baru-baru ini membuat kemajuan besar dalam masalah ini. Mereka menemukan cara untuk "menyembuhkan" cacat dalam sebuah film yang dibuat dari perovskite tertentu dengan menyinari dengan cahaya. Metode ini jauh lebih baik daripada metode sebelumnya, termasuk pemandian kimia atau arus listrik, karena kurangnya kontak dengan film.

Apakah perovskit akan mengarah pada revolusi dalam biaya atau efektivitas panel surya belum jelas. Membuatnya mudah, tetapi sejauh ini mereka putus terlalu cepat.

Banyak peneliti yang mencoba menyelesaikan masalah pembusukan. Sebuah studi bersama tentang Cina dan Swiss mengarah pada metode baru pembentukan sel dari perovskite, menghilangkan kebutuhan untuk gerakan lubang. Karena itu adalah lapisan konduksi lubang yang terdegradasi, materialnya harus jauh lebih stabil.


Sel Surya Perovskit Berbasis Timah

Sebuah laporan terbaru dari laboratorium Berkeley menggambarkan bagaimana suatu hari perovskit dapat mencapai batas efisiensi teoretis 31%, dan masih tetap lebih murah untuk diproduksi daripada silikon. Para peneliti mengukur efisiensi konversi berbagai permukaan granular menggunakan mikroskop atom, yang mengukur fotokonduktivitas. Mereka menemukan bahwa wajah yang berbeda memiliki efisiensi yang sangat berbeda. Sekarang para peneliti percaya bahwa mereka dapat menemukan cara untuk menghasilkan film yang mana hanya wajah paling efektif yang akan terhubung ke elektroda. Ini dapat menyebabkan sel mencapai efisiensi 31%. Jika berhasil, itu akan menjadi terobosan revolusioner dalam teknologi.

Bidang penelitian lainnya

Dimungkinkan untuk membuat panel multilayer, karena celah pita dapat disesuaikan dengan mengubah aditif. Setiap lapisan dapat disesuaikan dengan panjang gelombang tertentu. Sel-sel seperti itu secara teoritis dapat mencapai efisiensi 40%, tetapi sejauh ini tetap mahal. Akibatnya, mereka lebih mudah ditemukan di satelit NASA daripada di atap rumah.

Dalam sebuah studi oleh para ilmuwan dari Oxford dan Institute of Silicon Photovoltaic di Berlin, multilayering dikombinasikan dengan perovskites. Bekerja pada masalah degradabilitas material, tim membuka kemungkinan menciptakan perovskite dengan celah pita yang bisa disesuaikan. Mereka berhasil membuat versi sel dengan lebar pita 1,74 eV, yang hampir ideal untuk pembuatan dipasangkan dengan lapisan silikon. Ini dapat mengarah pada penciptaan sel yang murah dengan efisiensi 30%.

Sekelompok dari Universitas Notre Dame mengembangkan cat fotovoltaik yang terbuat dari partikel nano semikonduktor. Bahan ini belum begitu efektif untuk menggantikan panel surya, tetapi lebih mudah diproduksi. Di antara kelebihannya adalah kemungkinan pengaplikasian pada permukaan yang berbeda. Secara potensial, ini akan lebih mudah digunakan daripada panel kaku yang perlu dipasang di atap.

Beberapa tahun yang lalu, sebuah tim dari MIT membuat kemajuan dalam menciptakan bahan bakar panas matahari. Zat semacam itu dapat menyimpan energi matahari dalam dirinya sendiri untuk waktu yang lama, dan kemudian memberikannya sesuai permintaan saat menggunakan katalis atau pemanas. Bahan bakar mencapai ini melalui konversi molekul-molekulnya yang non-reaktif. Menanggapi radiasi matahari, molekul dikonversi menjadi photoisomer: rumus kimianya sama, tetapi bentuknya berubah. Energi matahari disimpan sebagai energi tambahan dalam ikatan antar molekul isomer, yang dapat direpresentasikan sebagai keadaan energi lebih tinggi dari molekul asli. Setelah memulai reaksi, molekul kembali ke keadaan semula, mengubah energi yang tersimpan menjadi panas. Panas dapat digunakan secara langsung atau diubah menjadi listrik. Gagasan ini berpotensi menghilangkan kebutuhan baterai. Bahan bakar dapat diangkut dan menggunakan energi yang diterima di tempat lain.

Setelah publikasi karya dari MIT, yang menggunakan fulvalen diruthenium , beberapa laboratorium mencoba memecahkan masalah dengan produksi dan biaya bahan, dan mengembangkan sistem di mana bahan bakar akan cukup stabil dalam keadaan terisi dan mampu "mengisi ulang" sehingga dapat digunakan berulang kali. Hanya dua tahun yang lalu, para ilmuwan MIT yang sama menciptakan bahan bakar matahari yang dapat menguji setidaknya 2.000 siklus pengisian / pengosongan tanpa penurunan kinerja yang nyata.

Inovasi ini untuk menggabungkan bahan bakar (itu azobenzene) dengan karbon nanotube. Akibatnya, molekul-molekulnya berbaris dengan cara tertentu. Bahan bakar yang dihasilkan memiliki efisiensi 14%, dan kepadatan energi mirip dengan baterai asam timbal.


Nanopartikel dari tembaga-seng-timah sulfida

Dalam karya yang lebih baru, bahan bakar surya dibuat dalam bentuk film transparan yang dapat dipatok ke kaca depan mobil. Di malam hari, film-film itu melelehkan es karena energi yang didapat di siang hari. Kecepatan kemajuan di bidang ini tidak diragukan lagi bahwa bahan bakar panas matahari akan segera dipindahkan dari laboratorium ke bidang teknologi yang sudah dikenal.

Cara lain untuk membuat bahan bakar langsung dari sinar matahari (fotosintesis buatan) sedang dikembangkan oleh para peneliti dari University of Illinois di Chicago. "Daun buatan" mereka menggunakan sinar matahari untuk mengubah karbon dioksida atmosfer menjadi "gas sintesis," campuran hidrogen dan karbon monoksida. Syngas dapat dibakar atau dikonversi ke bahan bakar yang lebih konvensional. Proses ini membantu menghilangkan kelebihan CO ₂ dari atmosfer.

Tim Stanford menciptakan sel surya prototipe menggunakan karbon nanotube dan fullerene bukan silikon. Efektivitasnya jauh lebih rendah daripada panel komersial, tetapi hanya karbon yang digunakan untuk membuatnya. Tidak ada bahan beracun dalam prototipe. Ini adalah alternatif yang lebih hijau untuk silikon, tetapi perlu bekerja pada efisiensi untuk mencapai manfaat ekonomi.

Penelitian terus dilakukan pada bahan-bahan lain dan teknologi produksi. Satu bidang penelitian yang menjanjikan meliputi lapisan tunggal, bahan dengan lapisan setebal molekul tunggal (seperti graphene). Meskipun efisiensi fotovoltaik absolut dari bahan tersebut kecil, efisiensi per satuan massa melebihi panel silikon biasa sebanyak seribu kali.

Peneliti lain sedang mencoba membuat sel surya dengan rentang menengah. Idenya adalah untuk membuat bahan dengan struktur nano atau paduan khusus di mana foton dapat bekerja dengan energi tidak cukup untuk mengatasi celah pita yang biasa. Dalam materi tersebut, sepasang foton energi rendah dapat merobohkan elektron, yang tidak dapat dicapai dalam perangkat solid-state konvensional. Secara potensial, perangkat tersebut akan lebih efisien, karena mereka menggunakan rentang panjang gelombang yang lebih besar.

Berbagai bidang penelitian elemen fotovoltaik dan bahan, dan kemajuan stabil yang cepat sejak penemuan elemen silikon pada tahun 1954, menginspirasi kepercayaan bahwa antusiasme untuk adopsi energi surya tidak hanya akan terus berlanjut, tetapi akan meningkat.

Dan studi ini terjadi tepat waktu. Dalam sebuah meta-studi baru-baru ini, ditunjukkan bahwa energi matahari melampaui minyak dan gas dalam hal rasio energi yang diterima dengan energi yang dikonsumsi, atau dalam efisiensi energi. Ini adalah titik balik yang signifikan.

Ada sedikit keraguan bahwa energi matahari sebagai hasilnya akan berubah menjadi bentuk energi yang signifikan, jika tidak dominan, baik di industri maupun di sektor swasta. Diharapkan bahwa pengurangan kebutuhan untuk membakar bahan bakar fosil akan terjadi sebelum perubahan iklim global yang tidak dapat dipulihkan kembali terjadi.