Energia słoneczna: jak projekt „Solar Tarp” może wykorzystać moc Słońca

Potencjał energetyczny paneli słonecznych - i kluczowe ograniczenie ich wykorzystania - jest wynikiem tego, z czego są wykonane. Płyty wykonane z krzemu spadają w takiej cenie, że w niektórych lokalizacjach mogą dostarczyć energię elektryczną, która kosztuje mniej więcej tyle samo, co energia z paliw kopalnych, takich jak węgiel i gaz ziemny. Ale silikonowe panele słoneczne są również masywne, sztywne i kruche, więc nie można ich używać w dowolnym miejscu.

W wielu częściach świata, w których nie ma regularnej energii elektrycznej, panele słoneczne mogą zapewniać światło do czytania po zmroku i energię do pompowania wody pitnej, pomagać zasilać małe gospodarstwa domowe lub firmy wiejskie, a nawet służyć schroniskom i obozom dla uchodźców. Ale mechaniczna kruchość, ciężkość i trudności z transportem krzemowych paneli słonecznych sugerują, że krzem może nie być idealny.

Opierając się na pracy innych, moja grupa badawcza pracuje nad stworzeniem elastycznych paneli słonecznych, które byłyby równie wydajne jak panel krzemowy, ale byłyby cienkie, lekkie i giętkie. Ten rodzaj urządzenia, które nazywamy „plandeką słoneczną”, można rozłożyć na wielkość pokoju i wytwarzać energię elektryczną ze słońca, a można go połączyć w rozmiar grejpfruta i wypchać w plecaku, tak jak wiele tysięcy razy bez zerwania. Chociaż podjęto pewne wysiłki, aby uczynić organiczne ogniwa słoneczne bardziej elastycznymi, po prostu czyniąc je wyjątkowo cienkimi, prawdziwa trwałość wymaga struktury molekularnej, która sprawia, że ​​panele słoneczne są rozciągliwe i wytrzymałe.

Półprzewodniki krzemowe

Krzem pochodzi z piasku, co czyni go tanim. A sposób, w jaki jego atomy pakują się w stały materiał, czyni go dobrym półprzewodnikiem, co oznacza, że ​​jego przewodnictwo można włączać i wyłączać za pomocą pól elektrycznych lub światła. Ponieważ jest tani i użyteczny, krzem jest podstawą mikroukładów i płytek drukowanych w komputerach, telefonach komórkowych i zasadniczo całej innej elektronice, przesyłającej sygnały elektryczne z jednego komponentu do drugiego. Krzem jest również kluczem do większości paneli słonecznych, ponieważ może przekształcić energię ze światła w ładunki dodatnie i ujemne. Ładunki te przepływają po przeciwnych stronach ogniwa słonecznego i mogą być używane jak bateria.

Ale jego właściwości chemiczne oznaczają również, że nie można go przekształcić w elastyczną elektronikę. Krzem nie pochłania światła bardzo skutecznie. Fotony mogą przechodzić przez panel krzemowy, który jest zbyt cienki, więc muszą być dość grube - około 100 mikrometrów, o grubości banknotu dolarowego - tak, aby żadne światło nie zginęło.

Półprzewodniki następnej generacji

Jednak naukowcy odkryli inne półprzewodniki, które znacznie lepiej pochłaniają światło. Jedna grupa materiałów, zwana „perowskitami”, może być użyta do wytworzenia ogniw słonecznych, które są prawie tak wydajne jak krzemowe, ale z warstwami pochłaniającymi światło, które są tysięczne grubości w przypadku krzemu. W rezultacie naukowcy pracują nad zbudowaniem perowskitowych ogniw słonecznych, które mogą zasilać małe bezzałogowe samoloty i inne urządzenia, w których zmniejszenie wagi jest kluczowym czynnikiem.

Nagrodę Nobla w dziedzinie chemii z 2000 r. Przyznano naukowcom, którzy jako pierwsi odkryli, że mogą produkować inny rodzaj ultracienkiego półprzewodnika, zwanego polimerem półprzewodnikowym. Ten rodzaj materiału nazywany jest „półprzewodnikiem organicznym”, ponieważ jest oparty na węglu i nazywany jest „polimerem”, ponieważ składa się z długich łańcuchów cząsteczek organicznych. Półprzewodniki organiczne są już wykorzystywane komercyjnie, w tym w branży miliardów dolarów wyświetlaczy organicznych emitujących światło diod, lepiej znanych jako telewizory OLED.

Półprzewodniki polimerowe nie są tak wydajne w przetwarzaniu światła słonecznego na elektryczność jak perowskity lub krzem, ale są znacznie bardziej elastyczne i potencjalnie niezwykle trwałe. Zwykłe polimery - nie półprzewodnikowe - znajdują się wszędzie w codziennym życiu. Są to cząsteczki, które tworzą tkaninę, plastik i farbę. Półprzewodniki polimerowe mają potencjał łączenia elektronicznych właściwości materiałów, takich jak krzem, z fizycznymi właściwościami tworzywa sztucznego.

Najlepsze z obu światów: wydajność i trwałość

W zależności od ich struktury, tworzywa sztuczne mają szeroki zakres właściwości - w tym zarówno elastyczność, jak i plandeka; i sztywność, jak panele nadwozia niektórych samochodów. Półprzewodnikowe polimery mają sztywne struktury molekularne, a wiele z nich składa się z maleńkich kryształów. Są one kluczowe dla ich właściwości elektronicznych, ale sprawiają, że stają się kruche, co nie jest pożądaną cechą zarówno dla elementów elastycznych, jak i sztywnych.

Prace mojej grupy skupiały się na identyfikacji sposobów tworzenia materiałów o dobrych właściwościach półprzewodnikowych i trwałości, z której znane są tworzywa sztuczne - zarówno elastyczne, jak i nie. Będzie to kluczem do mojego pomysłu na plandekę słoneczną lub koc, ale może również prowadzić do materiałów dachowych, płytek podłogowych na zewnątrz, a nawet powierzchni dróg lub parkingów.

Ta praca będzie kluczem do wykorzystania mocy światła słonecznego - bo przecież światło słoneczne, które uderza w Ziemię w ciągu jednej godziny, zawiera więcej energii, niż cała ludzkość używa w ciągu roku.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w The Conversation przez Darrena Lipomi. Przeczytaj oryginalny artykuł tutaj.