Tent
Header-Banner_Apostolopoulos
head_rear_banner_1
 

Είδη ηλιακών κυψελών

Φωτοβολταϊκές ηλιακές κυψέλες

Οι ηλιακές κυψέλες είναι συσκευές που μετατρέπουν την ηλιακή ενέργεια σε ηλεκτρισμό είτε άμεσα με το φωτοβολταϊκό φαινόμενο, είτε έμμεσα με αρχική μετατροπή της ηλιακής ενέργειας σε θερμότητα ή χημική ενέργεια.

Αν και μόλις το 1950 διατέθηκαν οι πρώτες κυψέλες, η επιστημονική έρευνα του φωτοβολταϊκού φαινομένου ξεκίνησε το 1839, όταν ο Χένρι Μπεκερέλ ανακάλυψε ότι ηλεκτρικό ρεύμα παράγεται όταν το φως προσπίπτει σε συγκεκριμένα χημικά διαλύματα.

Η ίδια φωτοβολταϊκή επίδραση αλλά σε στερεό σώμα (μέταλλο σελήνιο) παρατηρήθηκε το 1877. Μια εμπεριστατωμένη  ερμηνεία των επιστημονικών αρχών που διέπουν τη λειτουργία των κυψελών αυτών ήλθε αργότερα από τον Αϊνστάιν, το 1905, και τον Schotky, το 1930. H ερμηνεία αυτή ήταν αναγκαία συνθήκη για την κατασκευή κυψελών με ικανοποιητική απόδοση.

Η συμμετοχή της ηλιακής ενέργειας που μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια με τις φωτοβολταϊκές κυψέλες αυξάνεται σταθερά τα τελευταία χρόνια.

Ανόργανες

Οι ανόργανες ηλιακές κυψέλες κατασκευάζονται από ανόργανα στοιχεία ή ενώσεις (ίνδιο, γάλλιο, άζωτο, νιτρίδια γαλλίου –ινδίου). Το 1954 η πρώτη κυψέλη πυριτίου που κατασκευάστηκε μετέτρεπε το 6% της ακτινοβολίας σε ηλεκτρισμό χρησιμοποιήθηκε σε ειδικές εφαρμογές, όπως διαστημικούς δορυφόρους.

Θεωρητικά, η μέγιστη απόδοση μιας ηλιακής κυψέλης κατασκευασμένης από ένα υλικό είναι περίπου 30%, ενώ στην πράξη δεν ξεπερνά το 25%. Οι πιο αποδοτικοί ημιαγωγοί είναι κυρίως κράματα μετάλλων από την ομάδα ΙΙΙ του περιοδικού πίνακα με στοιχεία από την ομάδα V. Τα μειονεκτήματα των ανόργανων ηλιακών κυψελών οφείλονται  κυρίως στο υψηλό κόστος παραγωγής τους λόγω της πολυπλοκότητας στις μεθόδους και συνθήκες  παραγωγής τους, της λειτουργίας σε ιδανικές συνθήκες (υψηλή καθαρότητα ή/και θάλαμος  κενού) και της αναγκαστικής χρήσης υποστρωμάτων μεγάλου πάχους που στερούνται ελαστικότητας.

Οργανικές πλαστικές

Οι οργανικές ηλιακές κυψέλες  έχουν προσελκύσει το επιστημονικό ενδιαφέρον επειδή προσφέρουν σημαντικά πλεονεκτήματα σε σχέση με τις ανόργανες, όπως χαμηλό κόστος, δυνατότητα απόθεσης σε μεγάλη επιφάνεια, διαφορετικά χρώματα και συμβατότητα με ελαστικά υποστρώματα.

Η ανακάλυψη του Alan Heeger (Nobel 2000) για τη δημιουργία οργανικών ηλιακών κυψελών άνοιξε νέους δρόμους για την εκμετάλλευση της ηλιακής ενέργειας διότι η κατασκευή αυτών των κυψελών είναι πολύ μικρού κόστους. Βέβαια, μέχρι το 2000, η απόδοση οργανικών ηλιακών κυψελών δεν είχε ξεπεράσει το 2,17% [2] με εξαίρεση την ιδιαίτερα φιλόδοξη προσπάθεια ερευνητών από την Ιαπωνία [3], οι οποίοι με ένα συνδυασμό ασθενούς  οργανικού συστήματος ανταλλαγής ηλεκτρονίων πλαισιωμένου από ένα άλλο ισχυρότατο αντίστοιχο σύστημα κατέγραψαν απόδοση 3.5%.

Δεδομένου ότι οι ηλιακές κυψέλες είναι χρήσιμο να απορροφούν ηλιακή ακτινοβολία (φωτόνια) από όλο το ορατό τμήμα του φάσματος. Στην περίπτωση των οργανικών κυψελών αυτή η απορρόφηση μπορεί να επιτευχθεί με αλλαγή της χημικής δομής αυτών των οργανικών μορίων. Σημαντικό πρόβλημα στη χρήση των οργανικών μορίων για την κατασκευή ηλιακών κυψελών είναι το γεγονός ότι αυτά χαρακτηρίζονται από διαφορετική σταθερότητα κατά τη χρήση.

Υβριδικές

Πρόσφατα [4] μια ερευνητική ομάδα του Πανεπιστημίου του Berkley (Paul Alivisatos, Janke Dittmer και Wendy Huynh) δημιούργησε ένα μίγμα από πολύ (3-έξυλο-θειφαίνιο) (P3HT) και μια συστοιχία δύο τύπων νανοράβδων, από μόρια σεληνιούχου καδμίου (CdSe), τα οποία μοιάζουν με κόκκους ρυζιού και έχουν διάμετρο από 7 nm έως 60 nm. Τα μόρια αυτά έχουν σχεδιαστεί με τέτοιο τρόπο, ώστε να απορροφούν συγκεκριμένα μήκη κύματος του ηλιακού φωτός και να το μετατρέπουν σε ηλεκτρικό ρεύμα. Το σημαντικό ζήτημα σε αυτή την τεχνική είναι το σχήμα και ο προσανατολισμός των μορίων αυτών. Οι ερευνητές γνωρίζουν ότι οι κινητικότητες των ηλεκτρονίων στις ράβδους είναι πολύ μεγαλύτερες, και αυτό τους κάνει αισιόδοξους για τις δυνατότητες της παραπέρα βελτίωσης της απόδοσης. Αυτό συμβαίνει γιατί τα φυσικά όρια στην απόδοση τέτοιων συσκευών εξαρτώνται από το πόσο καλή είναι η κινητικότητα των ηλεκτρονίων στα συγκεκριμένα υλικά. Ο στόχος είναι να επιτευχθούν αποδόσεις της τάξης του 10%, προκειμένου να γίνει εμπορικά εκμεταλλεύσιμη η ανάπτυξη τέτοιων προϊόντων.

Πλαστικές

Μερικοί τύποι πλαστικών μπορεί να είναι ημιαγωγοί ή πλήρως αγωγοί του ηλεκτρισμού. Αυτά τα μη-μονωτικά πλαστικά υλικά ανήκουν στην κλάση των καλουμένων συζυγιακών πολυμερών. Τα πολυμερή αυτά έχουν κατά μήκος της αλυσίδας τους εναλλαγές απλών-διπλών δεσμών. Με την προσθήκη προσμίξεων, είναι δυνατόν, αυτού του τύπου τα πολυμερή να αποκτήσουν αγωγιμότητα που υπερβαίνει ακόμη και τις τιμές των πολύ γνωστών ανόργανων ημιαγωγών. Η ευκολία, καθώς και το μειωμένο κόστος παραγωγής, είναι δύο βασικοί παράγοντες που έχουν προκαλέσει τη στροφή του ενδιαφέροντος πολλών ερευνητών στην αντικατάσταση των ανόργανων ημιαγωγών από αγώγιμα πολυμερή σε εφαρμογές, όπως transistors, LEDs, ηλιακές κυψέλες, κ.ά.

Για να δημιουργήσουμε ηλεκτρικό πεδίο σε ένα πλαστικό φωτοβολταϊκό στοιχείο πρέπει να τοποθετήσουμε μαζί δύο ημιαγώγιμα πολυμερή τύπου p και n. Το ένα πολυμερές (με περίσσεια ηλεκτρονίων) δρα ως ηλεκτρονιοδότης και το άλλο (με περίσσεια οπών) δρα ως ηλεκτρονιοδέκτης. Κατά τη διάρκεια της ροής των ηλεκτρονίων, τα δύο ημιαγώγιμα πολυμερή λειτουργούν σαν ηλεκτρική πηγή, δημιουργώντας ένα ηλεκτρικό πεδίο στην επιφάνεια επαφής. Αυτό το πεδίο αναγκάζει τα ηλεκτρόνια να βγαίνουν από τον ημιαγωγό και να διατίθενται στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Συγχρόνως οι οπές κινούνται προς την αντίθετη κατεύθυνση.

Αρκετές ερευνητικές ομάδες ανά τον κόσμο, έχουν ασχοληθεί τα τελευταία χρόνια με την ανάπτυξη λεπτών υμενίων πλαστικών ηλιακών κυψελών, χρησιμοποιώντας μίγματα πολυμερές-φουλερένιο [5,6] ή πολυμερές-πολυμερές [7]. Οι αποδόσεις που έχουν αναφερθεί κυμαίνονται από 1% έως 2,5% για εργαστηριακές κυψέλες. Ένας από τους πιο πετυχημένους συνδυασμούς μέχρι σήμερα αποτελεί το μίγμα του συζυγιακού πολυμερούς Πολυ(2-μέθοξυ-5-(3-,7-διμεθυλ-οκτύλοξυ)- π βίνυλ φαινυλένιο) (MDMO-PPV) με το διαλυτό υποκατεστημένο φουλερένιο, PCBM. Στην περίπτωση της διάταξης αυτής συμβαίνει μια υπερταχεία μεταφορά ηλεκτρονίων, (σε χρόνο λιγότερο των 40 fs) ανάμεσα στο συζυγιακό πολυμερές και το υποκατεστημένο φουλερένιο. Αν και η ενεργειακή απόδοση της παραπάνω φωτοβολταϊκής διάταξης είναι 2,5%, υπάρχει διάχυτη η αισιοδοξία ότι το ποσοστό αυτό θα αυξηθεί σημαντικά τα αμέσως επόμενα χρόνια, καθώς και ότι θα γίνει δυνατή η ανάπτυξη εύκαμπτων κυψελών “μεγάλης επιφάνειας”  (αρκετών δεκάδων cm2).

Τα φουλερένια είναι μία νέα οικογένεια τρισδιάστατων κλειστών μοριακών δομών του άνθρακα που στην στερεά κατάστασή τους αποτελούν, εκτός του γραφίτη και του αδάμαντα, την τρίτη αλλοτροπική μορφή του. Η ανακοίνωση της δομής του μορίου C60 από τον H.W.Kroto και τους συνεργάτες του το 1985 και η ανακάλυψη της μεθόδου εργαστηριακής παρασκευής μεγάλων ποσοτήτων του το 1990 από τον Kratschmer και τους συνεργάτες του δημιούργησε ένα νέο κλάδο της οργανικής Χημείας και μία επαναστατική σειρά νέων δομών με προηγμένες ιδιότητες στον τομέα της Επιστήμης των Υλικών. Για την πρωτοποριακή του εργασία ο H.W.Kroto πήρε τον τίτλο του Sir στην Αγγλία και το βραβείο Νόμπελ στην Χημεία το 1996.

Μια ερευνητική ομάδα από το Πανεπιστήμιο της Arizona έχει ήδη παρουσιάσει ένα ειδικό εκτυπωτικό σύστημα [9], που είναι σε θέση να ψεκάσει ένα στρώμα υλικού που εκπέμπει φως, σε ηλεκτρικά αγώγιμες επιφάνειες. Τα πειράματα έχουν μέχρι στιγμής γίνει σε πλαστικές επιφάνειες, αλλά η ίδια μέθοδος μπορεί να ακολουθηθεί για να δημιουργήσει ηλεκτρικά κυκλώματα και σε υλικά όπως το χαρτί, το γυαλί ή το ύφασμα. Με αυτό τον τρόπο αναμένεται σε λίγα χρόνια να μειωθεί δραστικά το κόστος κατασκευής των ηλιακών κυψελών.

Δημοσιεύτηκε: 12/11/2010

ΣΧΕΤΙΚΑ ΔΗΜΟΣΙΕΥΜΑΤΑ
  • Γενικές εφαρμογές των ηλιακών κυψελών

    Οι ηλιακές κυψέλες νέας γενιάς είναι ελαφριές, εύκαμπτες και μικρών διαστάσεων. Η αποτελεσματικότερη αξιοποίησή τους προϋποθέτει την ύπαρξη μεγάλων επιπέδων επιφανειών, όπως οροφές κτιρίων. Πρόσθετο πρόβλημα είναι η ανάγκη δημιουργίας μεγάλων panels για την παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος ισχύος (10-60 +

  • Ηλιακές Κυψέλες

    Ο ήλιος είναι πηγή ζωής και αποτελεί ένα αστείρευτο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας. Η ολοένα αυξανόμενη χρήση της προερχόμενης από τον ήλιο ενέργειας, μέσω της μετατροπής της σε διάφορες μορφές (θερμική, χημική, ηλεκτρική κ.λπ.), αφενός θα επιτρέψει τη μείωση στη +


ΣΧΟΛΙΑ