태양 전지판은 에너지의 미래를 나타냅니다. 그러나 상업적 태양 전지의 최대 기록 된 효율은 분자 수준의 특정 에너지 장벽으로 인해 33%입니다.
“나는 돈을 태양과 태양 에너지에 넣었습니다. 얼마나 힘의 원천! 우리가 그것을 다루기 전에 석유와 석탄이 다가올 때까지 기다릴 필요가 없기를 바랍니다.”- Thomas Edison
세계의 모든 사람들은 이제 재생 에너지가 인류의 에너지에 대한 식욕을 만족시키는 측면에서 유일한 방법이라는 것에 대해 확고히 동의해야합니다. Greta Thunberg는이 세상에서 가장 선진국의 가장 강력한 지도자 앞에서 여러 차례이 점을 지적하려고 노력했습니다. 그러나 우리 모두가 보았 듯이, 그녀는 실제로 비판을 받았다 도널드 트럼프 미국 대통령을 포함한 여러 세계 지도자들에 의해 그를“지도자”라고 부르는 것은 스트레칭처럼 느껴집니다. 요점은, 전문가들은 모두 Greta가 옳다는 것을 알고 있습니다. 그러나 Greta가 언급 한 다양한 녹색 전력 대안에 관해서는 각각 자체의 한계가 있습니다.
풍속은 엄청나게 변동하여 하루 종일 신뢰할 수 없게 만듭니다. 당신은 댐을 만들 수 있지만 전 세계에 전력을 공급할 수는 없습니다. 그러나 햇빛은 지구 전체에서 낮에는 자유롭게 이용할 수 있으므로 궁금 할 것입니다. 글쎄, 최대 현재까지 기록 된 상업적으로 이용 가능한 태양 전지의 효율은 33.7%였다. 이것은 태양 광 산업의 가장 큰 과제 중 하나 였지만 왜 태양 광 패널의 효율성에 그러한 한계가 있습니까? 우리는 곧 그 대답에 도달 할 것이지만 먼저 태양 전지가 정확히 무엇인지 이해하는 것이 중요합니다.
태양 전지 란 무엇입니까?
태양 전지는 직사광선 형태로 태양의 에너지를 포착하여 전기 에너지로 변환하는 장치입니다. 태양 전지는 광전지로도 알려져 있습니다. 이는 빛에 존재하는 광자를 전압 차이 (본질적으로 "전력"을 의미 함)로 변환한다는 것을 의미합니다. 태양 전지의 한계를 이해하려면 구조를 자세히 살펴 봐야합니다.
간단한 P-N 교차점 (사진 크레디트 :DesignUA/ShutterStock)
태양 전지는 P- 타입 및 N 형 실리콘 웨이퍼를 사용하여 만들어집니다. P 형 실리콘 웨이퍼는 더 많은 구멍으로 구성되며, 이는 전자가 부족한 반면, N- 타입 웨이퍼는 과량의 전자를 가지고 있음을 의미합니다. 이 두 가지를 접촉하는 인터페이스는 접합 (PN 접합부,보다 정확한 PN 접합)이라고합니다. PN 접합부는 태양 전지의 주요 빌딩 블록입니다.
태양 전지의 효율성이 무엇을 의미합니까?
우리가 사용하는 모든 장치는 이와 관련된 특정 효율성을 가지고 있습니다. 시간당 10 개의 풍선을 생산하는 기계를 고려하십시오. 이 10 개 중 2 개의 풍선은 구멍이나 다른 유형의 결함이있는 것으로 밝혀졌습니다. 이는 기계의 효율이 80%임을 의미합니다. 기계는 10 개의 풍선을 생산하는 데 필요한 원료를 가져 가지만 그 중 80% 만 유용한 출력으로 변환합니다. 따라서 장치의 효율은 공급 된 입력 단위당 생성 된 유용한 출력의 양을 나타냅니다.
모든 에너지 생산 메커니즘에는 특정 효율 제한이 있습니다. (사진 크레딧 :RAWF8/Shutterstock)
마찬가지로, 태양 전지의 입사 방사선은 전기로 완전히 전환되지 않습니다. 그 에너지의 일정 부분 (우리가 이미 본 것처럼 훨씬 작은 분수) 만 유용한 작업으로 추출 할 수 있습니다. 태양 전지의 효율에 대한 여러 가지 측정치가 있지만 가장 널리 퍼진 것은 Shockley-Queisser Limit 입니다. .
Shockley-Queisser 한계는 무엇입니까?
SQ 한계로 더 일반적으로 알려진 Shockley-queisser 한계는 태양 전지의 효율에 가장 두드러진 과학적 측정입니다. 그것은 표준 시험 조건에서 단일 PN 접합 태양 전지의 이론적 효율을 측정합니다. (STC). STC 대략적인 태양 전지 표면이 태양 (태양 효율 제한)을 겨냥한 태양 전지의 표면을 가진 봄과 가을 춘분의 봄과 가을 춘분에 태양 정오.
한계는 특정 가정하에 측정됩니다. 태양 전지는 한 가지 유형의 균질 물질로 만 만들어야합니다. 태양 전지 당 하나의 P-N 접합이있을 수 있으며 밴드 갭보다 더 큰 에너지를 갖는 모든 광자는 전기 에너지로 변환 될 것으로 가정합니다. 광자 나 밴드 갭의 의미를 모르더라도 걱정하지 마십시오. 아래에서 논의 할 것입니다.
왜 효율에 제한이 있습니까?
태양 전지를 사용하여 전기를 생성하는 과정은 주로 하나의 매우 중요한 단계에 달려 있습니다. 원자가 밴드 (태양 전지의 PN 접합부)에서 전도 대역 (배터리와 같은 외부 회로)으로 전자의 점프. 참조를 위해 외부로 공급 된 에너지가없는 정상 원자의 전자는 밸런스 밴드 에 있다고합니다. . 전기를 생산하려면이 전자는 외부 회로로 옮겨 져야하며 전도 대역 라고합니다. .
다른 재료들 사이의 에너지 밴드 갭 (사진 크레디트 :UDAIX/ShutterStock)
전자는 원자가 밴드에서 전도 대역으로 점프하지 않습니다. 밴드 갭으로 알려진 일정량의 에너지 전환을 위해 제공되어야합니다.
라이트 웨이브 밴드 스펙트럼 (사진 크레디트 :Fouad A. Saad/Shutterstock)
이제, 들어오는 태양 복사는 위의 스펙트럼에 도시 된 바와 같이 많은 다른 파장의 파로 구성된다. 왼쪽의 파도는 가장 약한 (에너지가 적음) 인 반면 오른쪽의 짧은 파도는 더 강력합니다. 따라서이 파도 중 일부만이 에너지 장벽을 극복하는 데 필요한 에너지를 가지고 있습니다.
위에서 언급 한 과정에 대한 더 나은 그림을 얻으려면 예를 살펴 보겠습니다. 실리콘으로 만들어진 태양 전지를 때리는 100 개의 파장의 100 파로 구성된 광자 (빛의 입자)를 고려하십시오. 이 100 파도 중 40 파도는 실리콘의 밴드 갭에 해당하는 에너지를 보유하므로 전기를 생산할 수 있습니다. 나머지 파도는 열로 소실되거나 세포 표면에서 다시 튀어 나옵니다. 따라서 태양 전지의 효율에는 한계가 있습니다.
효율에 영향을 미치는 다른 요인은 무엇입니까?
우리가 보았 듯이, 전자 전환의 임계 값 에너지 장벽은 태양 광 패널 효율이 낮은 주된 이유로 밝혀졌습니다. 그러나 그것이 영향을 미치는 유일한 요인은 아닙니다. 여기에는 상당한 역할을하는 다른 요소가 많이 있습니다.
오존 층은 고 에너지 자외선이 표면에 도달하는 것을 차단합니다. (사진 크레디트 :Designua/Shutterstock)
태양을 떠나는 에너지와 우리가 지구에서 여기에서받는 에너지는 동일하지 않습니다. 이것은 방사선이 우리 지구를 포함하는 두꺼운 대기를 여행해야하기 때문입니다. 이제 빛의 산란 및 굴절과 같은 다른 현상은 강도를 감소시킵니다. 오존 층은 유해한 자외선 방사선이 우리에게 도달하는 것을 차단합니다 (이 파도는 더 많은 에너지를 가지고 있기 때문에 우리 눈의 세포를 손상시킬 수 있기 때문에 우리에게 유해합니다). 그러나 이들은 임계 값 에너지를 가로 지르는 파도이며 표면에 다시 도달하여 다시 태양 전지판의 효율을 감소시킵니다.
.문제에 대한 해결책이 있습니까?
현재 우리가 이용할 수있는 대부분의 상업적 태양 전지는 전환 측면에서 33% 막대를 건너갈 수 없지만 미래는 밝게 보입니다. 캠브리지 대학교의 유연한 LED 및 차세대 태양 전지를 위해 페 로브 스카이트 재료를 연구하는 연구원들은 화학 조성이 덜 주문 될 때 (이 기사의 범위를 벗어난 것) 생산 공정을 크게 단순화하고 비용 -Physics.org를 낮추면 더 효율적 일 수 있음을 발견했습니다.
다시 한 번, 전 세계 과학자들은 질화 갈륨, 게르마늄, 인듐 포스 파이드 등과 같은 새로운 재료를 연구하고 있습니다. 많은 사람들은 이러한 재료가 다중 접합 태양 전지의 밴드 갭 한계를 변경함으로써 완전한 태양 스펙트럼을 효과적으로 사용하여 전기로 전환 할 것이라고 믿는다. 대체로 미래는 태양 광 산업에 대해 밝게 보입니다.
최종 단어
호주와 아마존 부시 파이어는 대기에 엄청난 양의 탄소를 방출하여 지구가 2050 년까지 다시 흡수 할 수 없을 수도 있습니다. 지구 온난화는 더 이상 미래의 문제가 아닙니다. 그것은 본격적인 현실이며 그것을 거부하는 용도는 없습니다. 환경 주의자들은 세상에 녹색 에너지가 유일한 길이라고 말하지만 일부 지도자들은 여전히 진실을 진실에 빠뜨 렸습니다.
태양 전지의 낮은 효율은 일반적으로 화석 연료의 대체물로 사용하지 않는 이유로 일반적으로 인용되었습니다. 그러나 문제는 다국적 기업과 정부가 석유 및 석탄 기반 에너지 생산의 연구 개발에 계속해서 엄청난 금액을 투입하여 연구를 무시하고 더 친환경적이고 안전한 대안에 대한 개선을 무시한다는 것입니다. 예를 들어, 당면한 문제에 대한 가능한 치료법으로 작용할 수있는 에너지 밴드 갭이 낮은 재료의 발견이 있었지만, 우리는 이러한 유형의 연구에주의를 기울이고 투자해야 할 세상이 필요합니다!
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세상이 이해하고 받아 들여야 할 것은 우리가 우리 종이 생존하기를 원한다면 앞으로 나아갈 길이 있다는 것입니다.
