Solenergi: Hvordan en "Solar Tarp" Design kan udnytte solens magt

Solpanelernes energiproducerende potentiale - og en nøglebegrænsning på deres brug - er et resultat af, hvad de er lavet af. Paneler af silicium er faldende i pris, således at de på nogle steder kan levere elektricitet, der koster omtrent det samme som strøm fra fossile brændstoffer som kul og naturgas. Men silicium solpaneler er også klare, stive og sprøde, så de kan ikke bruges lige overalt.

I mange dele af verden, der ikke har regelmæssig elektricitet, kan solpaneler give efterlæselyst efter mørke og energi til at pumpe drikkevand, hjælpe med at drive små husholdninger eller landsbybaserede virksomheder eller endda tjene nødhuse og flygtningelejre. Men den mekaniske skrøbelighed, tunghed og transportproblemer med silicium solpaneler tyder på, at silicium måske ikke er ideelt.

Bygger på andres arbejde arbejder min forskningsgruppe på at udvikle fleksible solpaneler, som ville være lige så effektive som et siliciumpanel, men ville være tynde, lette og bøjbare. Denne slags enhed, som vi kalder en "solar tarp", kunne spredes ud i størrelsen af ​​et rum og generere elektricitet fra solen, og det kunne blive baleret op til at være størrelsen af ​​en grapefrugt og fyldt i en rygsæk som mange som 1.000 gange uden at bryde. Selvom der har været en indsats for at gøre organiske solceller mere fleksible, simpelthen ved at gøre dem ultra-tynde, kræver reel holdbarhed en molekylær struktur, der gør solpanelerne stramme og hårde.

Silicon Semiconductors

Silicium er afledt af sand, hvilket gør det billigt. Og måden dets atomer pakker i et fast materiale gør det til en god halvleder, hvilket betyder, at dens ledningsevne kan tændes og slukkes ved hjælp af elektriske felter eller lys. Fordi det er billigt og nyttigt, er silicium grundlaget for mikrochip og printkort i computere, mobiltelefoner og stort set alle andre elektronik, der sender elektriske signaler fra en komponent til en anden. Silicon er også nøglen til de fleste solpaneler, fordi den kan omdanne energien fra lys til positive og negative ladninger. Disse ladninger strømmer til modsatte sider af en solcelle og kan bruges som et batteri.

Men dets kemiske egenskaber betyder også, at den ikke kan omdannes til fleksibel elektronik. Silicon absorberer ikke lys meget effektivt. Fotoner kan passere lige gennem et siliciumpanel, der er for tyndt, så de skal være ret tykke - omkring 100 mikrometer, om tykkelsen af ​​en dollarregning - så ingen af ​​lyset går til spilde.

Næste generations halvledere

Men forskere har fundet andre halvledere, der er meget bedre til at absorbere lys. En gruppe af materialer, der kaldes "perovskites", kan bruges til at lave solceller, der er næsten lige så effektive som silikone, men med lysabsorberende lag, der er en tusindedel af tykkelsen, der er nødvendig med silicium. Som et resultat arbejder forskere på at opbygge perovskite solceller, der kan drive små ubemandede fly og andre enheder, hvor vægtreduktion er en nøglefaktor.

Nobelprisen 2000 i kemi blev tildelt de forskere, der først fandt, at de kunne lave en anden type ultra-tynd halvleder, kaldet en halvledende polymer. Denne type materiale kaldes en "organisk halvleder", fordi den er baseret på kulstof, og den kaldes en "polymer", fordi den består af lange kæder af organiske molekyler. Organiske halvledere er allerede brugt kommercielt, herunder i milliard dollarindustrien af ​​organiske lysdioder, bedre kendt som OLED-tv.

Polymer halvledere er ikke så effektive til at omdanne sollys til elektricitet som perovskites eller silicium, men de er meget mere fleksible og potentielt usædvanligt holdbare. Regelmæssige polymerer - ikke de halvledende - findes overalt i det daglige liv. De er de molekyler, der udgør stof, plastik og maling. Polymer halvledere har potentialet til at kombinere de elektroniske egenskaber af materialer som silicium med plastens fysiske egenskaber.

Det bedste af begge verdener: Effektivitet og holdbarhed

Afhængigt af deres struktur har plast en bred vifte af egenskaber - herunder både fleksibilitet, som med en tarp; og stivhed, som kroppen af ​​nogle biler. Halvledende polymerer har stive molekylære strukturer, og mange består af små krystaller. Disse er nøglen til deres elektroniske egenskaber, men har tendens til at gøre dem skøre, hvilket ikke er en ønskelig attribut for enten fleksible eller stive elementer.

Min gruppes arbejde har været fokuseret på at identificere måder at skabe materialer med både gode halvledende egenskaber og holdbarheden plast er kendt for - hvad enten det er fleksibelt eller ej. Dette vil være nøglen til min ide om solfangst eller tæppe, men det kan også føre til tagmaterialer, udendørs gulvfliser eller måske endda overflader på veje eller parkeringspladser.

Dette arbejde er nøglen til at udnytte kraften i sollys - fordi sollyset, der rammer jorden i en enkelt time, indeholder mere energi end hele menneskehedens anvendelser i et år.

Denne artikel blev oprindeligt udgivet på The Conversation af Darren Lipomi. Læs den oprindelige artikel her.