Do Ziemi dociera mnóstwo energii słonecznej,
173 tysiące terawatów.
To 10 tysięcy razy więcej, niż zużywa cała ludzkość.
Czy pewnego dnia
będzie można polegać wyłącznie na energii słonecznej?
Aby odpowiedzieć na to pytanie, trzeba przyjrzeć się sposobowi,
w jaki baterie słoneczne przekształcają energię słoneczną w elektryczną.
Baterie słoneczne składają się z ogniw słonecznych.
Najczęściej ogniwa wykonuje się z krzemu,
półprzewodnika
i drugiego najpowszechniejszego pierwiastka na Ziemi.
W ogniwie słonecznym
krystaliczny krzem umieszczony jest między dwiema płytkami przewodzącymi prąd.
Każdy atom krzemu łączy się z sąsiadami przez cztery silne wiązania,
co utrzymuje elektrony w jednym miejscu, więc prąd nie może płynąć.
Oto odpowiedź.
Ogniwo krzemowe wykorzystuje dwie różne warstwy silikonu.
Krzem typu n ma dodatkowe elektrony,
a krzem typu p ma dodatkowe miejsca dla elektronów, zwane dziurami.
Tam, gdzie spotykają się dwa typy krzemu,
elektrony mogą przechodzić przez złącze p-n,
zostawiając dodatni ładunek po jednej stronie
i tworząc ujemny po drugiej.
Światło przypomina strumień małych cząstek,
zwanych fotonami
i wystrzeliwanych ze Słońca.
Kiedy jeden z nich dostatecznie silnie uderza w ogniwo krzemowe,
wyrzuca z wiązania elektron i zostawia po sobie dziurę.
Ujemnie naładowany elektron i dodatnio naładowana dziura
mogą się swobodnie przemieszczać.
Jednak ze względu na pole elektryczne w złączu p-n
elektrony krążą tylko w jednym kierunku.
Elektron jest przyciągany do obszaru n,
natomiast dziura do obszaru p.
Poruszające się elektrony są gromadzone przez metalową płytkę na górze ogniwa.
Stąd mogą krążyć przez zewnętrzny obwód,
wykonując elektryczną pracę,
jak dostarczanie żarówce energii.
Następnie wracają przez przewodzącą warstwę glinu na spodzie ogniwa.
Każde ogniwo ma tylko 0,5 wolta,
ale można połączyć je w moduły, by uzyskać więcej energii.
12 ogniw fotowoltaicznych wystarczy, by naładować telefon,
ale potrzeba ich więcej, by dostarczyć energię dla całego domu.
Elektrony są tu jedynymi ruchomymi elementami
i wracają do pierwotnego położenia.
Nic się tu nie zużywa ani nie wyczerpuje,
więc z ogniw można korzystać długie lata.
Co powstrzymuje nas od korzystania wyłącznie z energii słonecznej?
W grę wchodzą czynniki polityczne,
nie wspominając o lobbingu biznesów, którym zależy na utrzymaniu status quo.
Zacznijmy jednak od fizycznych i logistycznych wyzwań,
z których najbardziej oczywisty jest fakt,
że energia słoneczna jest dostarczana do Ziemi nierówno.
Tylko niektóre rejony są nasłonecznione.
I to nie zawsze.
W pochmurne dni lub w nocy dysponujemy mniejszą ilością energii.
To oznacza, że wyłączny użytek wymagałby
skutecznych sposobów przenoszenia energii ze słonecznych do pochmurnych dni,
a także wydajnego przechowywania energii.
Problemem jest również wydajność samego ogniwa.
Jeśli promienie są odbijane, a nie pochłaniane,
lub wyrzucone elektrony wracają do dziur, nie przepływając przez obwód,
energia fotonu zostaje zmarnowana.
Najwyższa obecnie wydajność ogniw
pozwala na przemianę na prąd tylko 46% docierających promieni,
a większość sprzedawanych systemów osiąga wydajność od 15% do 20%.
Pomimo tych ograniczeń
zasilanie całego świata technologią solarną jest możliwe.
Potrzebne są pieniądze, by stworzyć infrastrukturę,
a także ogromna przestrzeń.
Szacunki wahają się od dziesiątek do setek tysięcy kilometrów kwadratowych.
Wydaje się to dużo,
ale sama Sahara ma prawie 9 milionów kilometrów kwadratowych.
Ogniwa słoneczne stają się lepsze, tańsze
i mogą konkurować z sieciami energetycznymi.
Innowacje, jak pływające farmy słoneczne, mogą całkowicie zmienić krajobraz.
Wyobrażenia lepiej odłożyć na bok.
Faktem jest, że ponad miliard ludzi
nie ma dostępu do sprawnych sieci energetycznych,
szczególnie w krajach rozwijających się,
choć większość z nich jest słoneczna.
W tych miejscach
energia słoneczna jest tańsza i bezpieczniejsza niż inne alternatywy,
takie jak nafta.
Jednak dla Finlandii lub Seattle
energetyka słoneczna może być wciąż trochę nieodpowiednia.