Solární energie: Jak "solární Tarp" Design může využít sluneční sílu

Energetický potenciál solárních panelů - a klíčové omezení jejich využití - je výsledkem toho, co je z nich vyrobeno. Panely vyrobené ze silikonu snižují cenu, takže v některých lokalitách mohou poskytovat elektřinu, která stojí přibližně stejně jako energie z fosilních paliv, jako je uhlí a zemní plyn. Silikonové solární panely jsou však také objemné, tuhé a křehké, takže je nelze použít kdekoli.

V mnoha částech světa, které nemají pravidelnou elektřinu, by solární panely mohly poskytovat světlo pro čtení po setmění a energii k čerpání pitné vody, pomoci malým domácnostem nebo vesnickým podnikům, nebo dokonce sloužit nouzovým krytům a táborům pro uprchlíky. Ale mechanická křehkost, těžkost a dopravní obtíže silikonových solárních panelů naznačují, že křemík nemusí být ideální.

Moje výzkumná skupina staví na práci ostatních a pracuje na vývoji flexibilních solárních panelů, které by byly stejně účinné jako silikonové panely, ale byly by tenké, lehké a ohebné. Tento druh zařízení, který nazýváme „solární plachtou“, by mohl být rozložen do velikosti místnosti a produkovat elektřinu ze slunce, a mohl by být zabalen tak, aby měl velikost grapefruitu a plnil se v batohu. až 1000 krát bez porušení. I když existuje určitá snaha o to, aby se organické solární články staly flexibilnějšími jednoduše tím, že se stanou ultratenkými, skutečná životnost vyžaduje molekulární strukturu, která činí solární panely roztažnými a odolnými.

Silicon Semiconductors

Křemík je odvozen z písku, což ho činí levným. A způsob, jakým se jeho atomy zabalují do pevného materiálu, z něj činí dobrý polovodič, což znamená, že jeho vodivost lze zapínat a vypínat pomocí elektrických polí nebo světla. Protože je křemík levný a užitečný, je základem mikročipů a obvodových desek v počítačích, mobilních telefonech a v podstatě všech ostatních elektronik, které vysílají elektrické signály z jedné komponenty do druhé. Křemík je také klíčem k většině solárních panelů, protože dokáže přeměnit energii ze světla na kladné a záporné náboje. Tyto náboje proudí na opačné strany solárního článku a mohou být použity jako baterie.

Jeho chemické vlastnosti však také znamenají, že se nemohou změnit na flexibilní elektroniku. Křemík neabsorbuje světlo velmi efektivně. Fotony mohou projít přes křemíkový panel, který je příliš tenký, takže musí být poměrně tlustý - asi 100 mikrometrů, o tloušťce dolarové bankovky - takže žádné světlo nepřichází do odpadu.

Polovodiče příští generace

Vědci však zjistili, že další polovodiče jsou mnohem lépe absorbující světlo. Jedna skupina materiálů, nazývaná „perovskity“, může být použita k výrobě solárních článků, které jsou téměř stejně účinné jako křemíkové, ale s vrstvami absorbujícími světlo, které jsou o jednu tisícinu větší než tloušťka křemíku. Jako výsledek, výzkumníci pracují na budování perovskite solárních článků, které mohou pohánět malé bezpilotní letadla a další zařízení, kde snížení hmotnosti je klíčovým faktorem.

Nobelova cena za chemii v roce 2000 byla udělena vědcům, kteří poprvé zjistili, že by mohli vytvořit další typ ultra tenkého polovodiče, který se nazývá polovodivý polymer. Tento typ materiálu se nazývá „organický polovodič“, protože je založen na uhlíku a nazývá se „polymerem“, protože se skládá z dlouhých řetězců organických molekul. Organické polovodiče jsou již komerčně využívány, a to i v průmyslu s miliardami dolarů organických displejů s emitujícími diodami, známými jako OLED televizory.

Polymerové polovodiče nejsou tak efektivní při přeměně slunečního světla na elektřinu jako perovskity nebo křemík, ale jsou mnohem flexibilnější a potenciálně mimořádně trvanlivé. Běžné polymery - nikoliv polovodivé - se nacházejí všude v každodenním životě. Jsou to molekuly, které tvoří látku, plast a barvu. Polymerní polovodiče mají potenciál kombinovat elektronické vlastnosti materiálů, jako je křemík, s fyzikálními vlastnostmi plastu.

To nejlepší z obou světů: účinnost a trvanlivost

V závislosti na jejich struktuře mají plasty širokou škálu vlastností - včetně pružnosti, stejně jako plachty; a tuhost, stejně jako panely karoserií některých automobilů. Polovodivé polymery mají tuhé molekulární struktury a mnoho z nich je tvořeno malými krystaly. Ty jsou klíčem k jejich elektronickým vlastnostem, ale mají tendenci je učinit křehkými, což není žádoucí atribut pro pružné nebo tuhé předměty.

Práce mé skupiny byla zaměřena na identifikaci způsobů, jak vytvářet materiály s dobrými polovodičovými vlastnostmi a odolností plastů, které jsou známy - ať už pružné nebo ne. To bude klíčem k mé představě solární plachty nebo deky, ale mohlo by to také vést ke střešním materiálům, venkovním podlahovým krytinám nebo snad i povrchům silnic nebo parkovišť.

Tato práce bude klíčem k využití síly slunečního světla - protože koneckonců, sluneční světlo, které dopadne na Zemi v jedné hodině, obsahuje více energie než celý lidský život za rok.

Tento článek byl původně publikován na The Conversation Darren Lipomi. Přečtěte si originální článek zde.