Ukupna količina sunčeve energije koja u toku vremenskog perioda od godinu dana biva absorbovana od strane Zemljine atmosfere, okeana i kopnenih masa iznosi približno 3850 zetadžul-a (1 ZJ = 1021 J). Ukoliko ovu cifru uporedimo sa 0.5 ZJ, koliko približno iznosi godišnja potrošnja energije na globalnom nivou, dolazimo do zaključka o enormnim razmerama energetskog potencijala koje nam pruža naša najbliža zvezda.
Još od vremena drevnih civilizacija Mesopotamije, Egipta i Vavilona, osim obožavanja kulta Sunca, postojala je i svest ljudi o načinu na koji se Sunce može praktično iskoristiti. Ove civilizacije su bile među prvima koje su bile u stanju da, uz pomoć pozicije Sunca na nebu, mere vreme i izrađuju iznenađujuće precizne kalendare. Rimljani su koristili sunčevu energiju za grejanje svojih čuvenih javnih kupatila i kuća. Postoje indicije da je Sunce korišćeno čak i kao oružje! Prema nekim izvorima, u 2. veku nove ere Arhimed je odbranio Sirakuzu od rimskog napada sa mora tako što im je spalio flotu, fokusirajući sunčevu svetlost ka rimskim brodovima uz pomoć velikog broja uglačanih bronzanih štitova (Slika 1.). Do dan danas verodostojnost ovog poduhvata je tema prepirke mnogih naučnika i istoričara. Poznato je takođe da su neustrašivi Vikinzi koristili sunčev kompas koji im je omogućavao da nepogrešivo navode svoje brodove ka željenim obalama i novim pljačkaškim pohodima (Skål!).
Ideja o solarnoj ćeliji, kakvu većina nas danas poznaje, rođena je 1839. godine kada je francuski fizičar Edmond Bekuerel (tada devetnaestogodišnjak) zapazio da su određeni materijali, pri izlaganju svetlosti, u stanju da proizvedu električnu struju slabog intenziteta. Ovaj fenomen poznat je kao fotoelektrični efekat. U vreme njegovog otkrića, fotoelektrični efekat, nije bio najbolje shvaćen. Mnogi vodeći umovi tog vremena, poput Verner fon Simens-a (Slika 2.), su bili oduševljeni značajem ovog otkrića ali su uzaludno pokušavali da razumeju i objasne ovaj efekat.
Tek sa razvićem kvantne fizike misterija iza fotoelektričnog efekta je konačno rešena. 1905. godine Albert Ajnštajn objavljuje četiri naučna rada koja postavljaju temelje moderne fizike i menjaju način na koji su naučnici do tada posmatrali prostor, vreme, masu i energiju. Iz tog razloga ni ne čudi što se u naučnim krugovima, ali i šire, o 1905. godini govori kao o Annus Mirabilis (fraza na latinskom, „godina čuda’’). U jednom od spomenuta četiri rada Ajnštajn je objasnio fotoelektrični efekat, za šta je 1921. godine nagrađen Nobelovom nagradom za fiziku.
Nepotpuno shvatanje fotoelektričnog efekta nije bila prepreka Vilijamu Adamsu i Ričardu Evansu da 1876. godine dizajniraju i konstruišu prvu solarnu ćeliju sačinjenu od selenijuma. Efikasnost konverzije sunčeve svetlosti u električnu energiju ove solarne ćelije iznosila je svega oko 2% što nije bilo dovoljno za pokretanje ni veoma primitivnih električnih uređaja. Pravi značaj Adamsovog i Evansovog rada leži u tome što je dokazano da postoji način za dobijanje električne struje bez primene pokretnih delova ili toplote! Sa inženjerske tačke gledišta ovo je bio veliki pomak. U narednim decenijama mnogo pažnje je poklonjeno temi konverzije sunčeve svetlosti u električnu energiju. Kao rezultat velike posvećenosti ovoj temi, 1954. godine dizajnirana je i patentirana prva silicijumska solarna ćelija! Rodno mesto silicijumske solarne ćelije je Bell Labs, Nju Džersi. Ova naučno-istraživačka ustanova rodno je mesto još nekoliko „sitnica“, kao na primer: faksa, tranzistora, UNIX operativnog sistema i programskiih jezika C i C++. Effikasnost silicijumske solarne ćelije iznosila je oko 4% i predstavljala je prvu solarnu ćeliju koja je bila u stanju da napaja manje kućne električne uređaje. Već sledeće, 1956. godine prva komercijalna silicujumska solarna ćelija, sa efikasnošću od 2% i snage od 14mW, se pojavljuju na tržištu sa cenom od 25$, ili 1785$ po vatu. Nepravedno bi bilo ne spomenuti doprinos poljskog naučnika Jana Čohralskog koji je 1918. godine prezentovao metodu za dobijanje monokristalnog silicujuma čime je direktno utabao put razvoju silicijumskih solarnih ćelija ali i mnogih drugih poluprovodničkih uređaja. U narednih desetak godina, nakon njihovog patentiranja, komercijalne silicijumske solarne ćelije dostižu efikasnost od 14%. Međutim, ovo i dalje nije bilo dovoljno da opravda njihovu visoku cenu koja je bila posledica skupog i složenog proizvodnog procesa. Iz ovog razloga, ideja o širokoj komercijalnoj upotrebi silicijumskih solarnih ćelija je delovala teško ostvariva. Međutim, uporedo sa pojavom silicijumske solarne ćelije započinje i takozvana „Svemirska trka“ između Sovjetskog Saveza i Sjedinjenih Američkih Država. Tokom ovog nadmetanja, sovjetski svemirski program i NASA su prepoznali ogroman potencijal solarnih ćelija za napajanje energijom njihovih veštačkih satelita. Visoki proizvodni troškovi nisu bili ni najmanji problem za budžete dva spomenuta svemirska programa. Novci nisu žaljeni ako bi to značilo prestići svog rivala u ovoj tehnološkoj trci. Zahvaljujući ovom nadmetanju, u narednim godinama, tehnologija silicijumskih solarnih ćelija se rapidno razvija. Prvi satelit sa ugrađenim solarnim ćelijama, pod imenom „Vanguard I“ lansiran je već 1958. Danas je solarna energija glavni izvor napajanja energijom svih veštačkih satelita koji kruže oko Zemlje. Međunarodna svemirska stanica se takođe napaja solarnom energijom zahvaljujući 3360m2 solarnih panela.
Početkom 1970-tih proizvodni proces solarnih ćelija je modifikovan i pojednostavljen što je doprinelo značajnom sniženju njihovih cena. Solarne ćelije na ovaj način postaju mnogo dostupnije. Počinju da se primenjuju za napajanje energijom signalnih uređaja na naftnim platformama, izolovanim pružnim prelazima, svetionicima i ostalim objektima do kojih je bilo veoma nepraktično sprovesti električnu energiju na konvencionalan način. U narednoj deceniji solarne ćelije se ubrzano razvijaju, efikasnost kojom konvertuju sunčevu svetlost u električnu energiju se konstantno poboljšava a njihova cena nastavlja da opada. 1981. godine konstruisan je prvi „solarni“ avion. Njegova krila su bila pokrivena sa preko 16000 solarnih ćelija omogućavajući mu da se napaja isključivo uz pomoć solarne enrgije tokom svog leta od Francuske do Engleske. Sledeće godine, u Australiji, prvi automobil na solarni pogon je ugledao svetlost dana (Slika 3.).
Iste godine, prva solarna elektrana je sagrađena u Sjedinjenim Američkim Državama. Njen kapacitet bio je dovoljan da napaja 2400 domaćinstava električnom energijom. U to vreme procenjeno je da su solarne ćelije proizvodile 9,3 megavat-a električne energije na godišnjem nivou. Za samo godinu dana ovo cifra već raste na 21,3 megavat-a. Prema podacima iz 2014. godine trenutni kapacitet solarnih elektrana iznosi oko 177 gigavat-a na godišnjem nivou što odgovara približno 1% ukupne električne energije koja se proizvede za godinu dana u svetu. Sa trenutno dostupnom tehnologijom solarnih ćelija, da bi se obezbedila količina električne energije potrebna našoj civilizaciji na godišnjem nivou, bilo bi potrebno solarnim panelima pokriti površinu od 496.805 km2, što otprilike odgovara površini koju zauzima Španija! Međutim, ono što svakako ohrabruje je predviđanje Međunarodne agencije za energiju da će solarne elektrane, usled razvoja tehnologije solarnih ćelija, 2050. godine biti u stanju da namire 45% ukupne godišnje potražnje za električnom energijom.
Danas solarne ćeliju predstavljaju najbrže rastuću tehnologiju za dobijanje električne energije. U državama koje drže primat u korišćenju sunčeve energije, kao što su Nemačka, Japan, Italija, SAD, solarni paneli su veoma čest prizor na krovovima stambenih zgrada. Osim već spomenute uloge solarnih ćelija u solarnim elektranama i u svemiru, one su danas našle svoju primenu i u nekim od transportnih sistema koje svakodnevno koristimo (doduše samo kao izvor pomoćnog napajanja). Solarna energija je sve prisutnija i u sistemima za javnu rasvetu. U industriji se koristi za zagrevanje fluida, napajanje interne telekomunikacione mreže, rasvetu, pokretanje raznih pumpnih sistema i rashladnih uređaja. U poljoprivredi se koristi za napajanje automatskih sistema za navodnjavanje i grejanje staklenika. Većina fabrika za desalinizaciju morske vode se napaja solarnom energijom.
U poređenju sa drugim izvorima, dobijanje električne energije iz solarnih ćelija nije ekonomski isplativo. Kao primer možemo uzeti elektranu koja radi na ugalj. Troškovi proizvodnje 1 kWh (kilovat-čas) električne energije iznose oko 0,04 €. Sa druge strane, troškovi proizvodnje 1 kWh električne energije za solarnu elektranu iznose 0,12 €. Rapidno povećanje kapaciteta solarnih elektrana širom sveta se trenutno dešava jedino jer mnoge države nude velike podsticaje i privilegije za korišćenje obnovljivih izvora energije. Na ovaj način omogućeno je da solarne elektrane budu isplative uz veoma mali profit. Međutim, malu profitabilnost solarnih elektrana lako je opravdati nepotrebnošću za upotrebom goriva i zbog očiglednog odsustva negativnog dejstva na životnu okolinu. Efikasnost, a samim tim i ekonomičnost, solarnih elektrana se može poboljšati pažljivim odabirom mesta na kojem će biti izgrađene. Najpogodnije su lokacije blizu ekvatora jer dobijaju najviše sunčeve energije tokom godine. Takođe, tehnologija koja omogućava solarnim panelima da se automatski naginju i orijentišu prema Suncu u značajnoj meri pobošljava efikasnost rada solarnih elektrana.
Veoma bitna stavka svake solarne ćelije je efikasnost kojom konvertuje sunčevu energiju u električnu energiju. Izračunava se kao procenat sunčeve energije konvertovane u električnu energiju u odnosu na ukupnu sunčevu energiju koju solarna ćelija primi. Efikasnost komercijalnih silicijumskih solarnih ćelija, koje se mogu videti na krovovima stambenih zgrada, iznosi između 14% i 19%. Ovo znači da više od 80% sunčeve energije koje solarna ćelija primi ostaje neiskorišćeno! U termoelektranama se 95% energije koju sadrži ugalj konvertuje u električnu energiju. Ovakav stepen konverzije deluje nemoguće ostvariv za silicijumske solarne ćelije. Razlog je jednostavan, izračunata maksimalna teorijska efikasnost koju nedopirana silicijumska ćelija može dostići iznosi svega 29,4%! Prošle godine, kompanija Panasonic je predstavila novi dizajn silicijumske solarne ćelije koja omogućava efikasnost od 25,6%. Ovo je trenutno najbliže što možemo prići teorijskom limitu.
U narednim godinama, efikasnost nedopiranih silicijumskih ćelija će se opasno približiti svom teorijskom limitu, možda ga čak i dostići. Iz ovih razloga postavlja se logično pitanje: šta dalje? U narednom delu diskusija će upravo ići u tom smeru. Biće predstavljeno nekoliko načina na koji je moguće poboljšati efikasnost silicijumskih solarnih ćelija iznad teorijskog limita. Fokus će biti stavljen na ideju koja je izazvala veliku pažnju u protekle 2-3 godine – eksploatisanje procesa up-konverzije. Takođe, biće razmatrana i važna uloga koju nauka o materijalima ima u optimizaciji rada solarnih ćelija.
Piše: Nemanja Martić, dipl.ing
Svet materijala 