Trái Đất nhận rất nhiều năng lượng mặt trời:
173 nghìn terawatt
Gấp 10.000 lần năng lượng dân số toàn cầu sử dụng.
Vậy liệu có hay không một ngày
thế giới này hoàn toàn sử dụng năng lượng mặt trời?
Để trả lời câu hỏi này,
trước ta chúng ta cần tìm hiểu nguyên lý hoạt động của pin mặt trời.
Pin mặt trời được cấu tạo từ nhiều đơn vị nhỏ hơn gọi là Tế bào quang điện(TBQĐ)
Loại TBQĐ thông dụng nhất được làm từ Silic,
là một chất bán dẫn và là nguyên tố phổ biến thứ hai trên Trái Đất.
Trong một TBQĐ,
tinh thể Silic bị kẹp giữa hai lớp dẫn điện.
Mỗi nguyên tử Silic được kết nối với láng giềng bằng 4 liên kết mạnh,
giữ cho chúng cố định nên lúc này không có dòng điện
Đây là điểm mấu chốt:
một TBQĐ sử dụng hai lớp Silic loại khác nhau
Silic loại N có các electron dư thừa,
và loại P có các khoảng trống cho các electron dư thừa, gọi là lỗ trống
Tại nơi tiếp xúc giữa hai loại Silic
electron có thể di chuyển qua tiếp diện P/N
để lại tích điện dương ở một mặt
và tạo ra tích điện âm ở mặt còn lại.
Bạn có thể xem ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ li ti
gọi là các hạt photon
bắn ra từ mặt trời.
Khi một trong các hạt này va đập vào TBQĐ với đủ năng lượng,
nó có thể đánh bật mọt electron khỏi liên kết để lại lỗ trống.
Electron mang điện tích âm và lỗ trống mang điện tích dương
nay có thể tự do di chuyển.
Nhưng bởi vì trường điện từ tại tiếp diện P/N,
chúng chỉ có thể đi theo 1 hướng.
Electron bị hút về mặt N,
và lỗ trống bị hút về mặt P.
Các electron đi động được thu thập tại lá kim loại tại đỉnh TBQĐ.
Từ đây, chúng đi vào mạch tiêu thụ,
thực hiện chức năng điện,
như là thắp sáng bóng đèn,
trước khi quay trở về lá nhôm ở mặt sau.
Mỗi TBQĐ chỉ có thể tạo ra một nửa Vôn,
nhưng bạn có thể mắc nối tiếp chúng để tạo ra hiệu điện thế cao hơn.
12 TBQĐ là đủ để sạc 1 chiếc điện thoại,
trong khi đó cần rất nhiều cái để cấp điện cho một căn nhà.
Electron là thứ di chuyển duy nhất trong TBQĐ,
và chúng đều quay về nơi xuất phát.
Chẳng có thứ gì hao mòn hay cạn kiệt,
nên TBQĐ có tuổi thọ tới hàng chục năm.
Vậy cái gì ngăn cản chúng ta đến với năng lượng mặt trời hóa toàn cầu?
Có những nhân tố chính trị góp phần,
chưa đề cập đến các tập đoàn vận động hành lang duy trì hạn ngạch.
Nhưng bây giờ, hãy tập trung vào phân tích những thách thức về mặt vật lý và logic,
và điều rõ ràng nhất trong số đó
là quang năng phân bố không đồng đều trên bề mặt trái đất.
Một số khu vực nắng hơn những khu vực khác.
Nó còn không ổn định.
Ít hoặc không có quang năng vào những ngày âm u hoặc ban đêm.
Nên việc quang năng hóa đòi hỏi
một phương thức hiệu quả truyền tải điện năng từ nơi sáng tới nơi âm u,
và một sự lưu trữ điện hiệu quả.
Riêng hiệu năng của TBQĐ vốn đã là một thử thách.
Nếu như ánh sáng bị phản xạ thay vì hấp thụ,
hoặc các electron rơi trở lại vào lỗ trống trước khi đi vào mạch tiêu thụ,
thì năng lượng photon bị mất mát.
TBQĐ hiệu năng cao nhất hiện nay
chỉ có thể chuyển đổi 46% quang năng thành điện năng,
và hầu hết thiết bị trên thị trường hiện nay hiệu năng chỉ có 15-20%.
Mặc cho những hạn chế đó,
thực tế hoàn toàn có thể
cấp năng lượng cho cả thế giới với công nghệ quang năng hiện nay.
Chúng ta cần ngân sách đê xây dựng cơ sở hạ tầng
và một khoảng không gian lớn.
Ước tính cần khoảng hàng chục tới hàng trăm nghìn dặm vuông,
nghe có vẻ rất nhiều,
nhưng riêng sa mạc Sahara có diện tích tới 3 triệu dặm vuông.
Trong khi đó, TBQĐ đang ngày càng tốt hơn, rẻ hơn,
và đang cạnh tranh với nguồn điện lưới.
Một phát kiến mới, như trang trại mặt trời, có thể thay đổi quang cảnh mặt đất.
Gác lại những thử nghiệm,
có một sự thật đó là hơn 1 tỷ người
hiện chưa được sử dụng một nguồn điện lưới hiệu quả,
đặc biệt là ở những nước đang phát triển,
nhiều nước trong đó nắng nóng.
Vậy nên tại những nơi như vậy,
năng lượng mặt trời vốn đã rẻ hơn và an toàn hơn nhiều so với các nguồn khác,
như dầu mỏ.
Dẫu rằng, với Phần Lan hoặc Seatle,
năng lượng mặt trời hiệu quả xem ra còn khá xa vời.