Solenergi: Hvordan et "Solar Tarp" -design kan utnytte solens kraft

Energiproduksjonspotensialet til solcellepaneler - og en nøkkelbegrensning på bruken av dem - er et resultat av hva de er laget av. Paneler laget av silisium faller i pris slik at de på enkelte steder kan gi strøm som koster omtrent det samme som kraft fra fossile brensler som kull og naturgass. Men silisium solcellepaneler er også store, stive og sprø, slik at de ikke kan brukes hvor som helst.

I mange deler av verden som ikke har vanlig elektrisitet, kan solcellepaneler gi leselys etter mørke og energi til å pumpe drikkevann, hjelpe til med å drive små husholdninger eller landsbybaserte virksomheter, eller til og med betjene nødhemmer og flyktningkamper. Men den mekaniske sårbarheten, tyngdekraften og transportproblemene i silisium solcellepaneler tyder på at silisium kanskje ikke er ideelt.

Bygger på andres arbeid, jobber min forskningsgruppe for å utvikle fleksible solcellepaneler, som ville være like effektive som et silikonpanel, men ville være tynt, lett og bøybart. Denne typen enhet, som vi kaller en "solar tarp", kan spredes ut i størrelsen på et rom og generere elektrisitet fra solen, og det kan bli ballet opp til å være størrelsen på en grapefrukt og fylt i en ryggsekk som mange som 1000 ganger uten å bryte. Mens det har vært en viss innsats for å gjøre organiske solceller mer fleksible ved å gjøre dem ultra-tynne, krever reell holdbarhet en molekylær struktur som gjør solpanelene tøybare og tøffe.

Silisium Semiconductors

Silisium er avledet fra sand, noe som gjør det billig. Og måten atomer pakker i et solidt materiale gjør det til en god halvleder, noe som betyr at ledningsevnen kan slås av og på ved hjelp av elektriske felt eller lys. Fordi det er billig og nyttig, er silisium grunnlaget for mikrochips og kretskort i datamaskiner, mobiltelefoner, og i utgangspunktet alle andre elektronikk, som sender elektriske signaler fra en komponent til en annen. Silisium er også nøkkelen til de fleste solcellepaneler, fordi den kan konvertere energien fra lys til positive og negative kostnader. Disse kostnadene strømmer til motsatte sider av en solcelle og kan brukes som et batteri.

Men dets kjemiske egenskaper betyr også at det ikke kan omdannes til fleksibel elektronikk. Silisium absorberer ikke lys meget effektivt. Fotoner kan passere rett gjennom et silikonpanel som er for tynt, så de må være ganske tykke - rundt 100 mikrometer, om tykkelsen på en dollarregning - slik at ingen av lyset går til spill.

Next Generation Semiconductors

Men forskere har funnet andre halvledere som er mye bedre å absorbere lys. En gruppe materialer, kalt "perovskites", kan brukes til å lage solceller som er nesten like effektive som silisium, men med lysabsorberende lag som er en tusenedel tykkelsen som kreves med silisium. Som et resultat arbeider forskerne med å bygge perovskite solceller som kan drive små ubemannede fly og andre enheter der vektreduksjon er en nøkkelfaktor.

2000 Nobelprisen i kjemi ble tildelt forskerne som først fant at de kunne lage en annen type ultra-tynn halvleder, kalt en halvledende polymer. Denne typen materiale kalles en "organisk halvleder" fordi den er basert på karbon, og den kalles en "polymer" fordi den består av lange kjeder av organiske molekyler. Organiske halvledere er allerede brukt kommersielt, inkludert i milliard dollarindustrien av organisk lysdiodedisplay, bedre kjent som OLED-TV.

Polymer halvledere er ikke like effektive ved å konvertere sollys til elektrisitet som perovskites eller silisium, men de er mye mer fleksible og potensielt ekstremt holdbare. Regelmessige polymerer - ikke halvledende - finnes overalt i det daglige livet. De er molekylene som utgjør stoff, plast og maling. Polymer halvledere har potensial til å kombinere de elektroniske egenskapene til materialer som silisium med plastens fysiske egenskaper.

Det beste av begge verdener: Effektivitet og holdbarhet

Avhengig av deres struktur har plast et bredt spekter av egenskaper - inkludert både fleksibilitet, som med en tarp; og stivhet, som kroppen paneler av noen biler. Halvledende polymerer har stive molekylære strukturer, og mange består av små krystaller. Disse er nøkkelen til deres elektroniske egenskaper, men har en tendens til å gjøre dem sprø, noe som ikke er en ønskelig egenskap for enten fleksible eller stive elementer.

Min gruppes arbeid har vært fokusert på å identifisere måter å lage materialer med både gode halvledende egenskaper og holdbarheten plast er kjent for - enten fleksibel eller ikke. Dette vil være nøkkelen til ideen om solfangst eller teppe, men kan også føre til takmaterialer, utendørs gulvfliser, eller til og med overflater på veier eller parkeringsplasser.

Dette arbeidet vil være nøkkelen til å utnytte sollysets kraft - fordi sollyset som rammer jorden på en time, inneholder mer energi enn all menneskets bruk på et år.

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på The Conversation av Darren Lipomi. Les den opprinnelige artikkelen her.