Et lite stykke av en prototype soltak. University of California, San Diego, CC BY-ND

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 noen steder kan gi strøm det koster omtrent det samme som strøm fra fossile brensler som kull og naturgass. Men silisium solcellepaneler er også store, stive og sprø, så de kan ikke brukes hvor som helst.

I mange deler av verden som ikke har vanlig strøm, kan solcellepaneler gi leser lys etter mørke og energi til pumpe drikkevann, hjelp kraft små husholdninger eller landsby-baserte bedrifter eller til og med tjene nødhjelp og flyktningkamper. Men den mekaniske sårbarheten, tyngde- og transportproblemene i silisium solpaneler tyder på at silisium kanskje ikke er ideelt.

Bygg på andres arbeid, min forskningsgruppe jobber med utvikle fleksible solcellepaneler, som ville være like effektiv som et silikonpanel, men ville være tynt, lett og bøybart. Denne typen enhet, som vi kaller en "solar tarp, "Kan spres ut til 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 så mange som 1,000 ganger uten å bryte. Mens det har vært en viss innsats for å gjøre organiske solceller mer fleksible bare ved gjør dem ultra tynne, ekte holdbarhet krever en molekylær struktur som gjør solpanelene tøybare og tøffe.

Silisium halvledere

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, silisium er 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 avfall.

Neste generasjon halvledere

Men forskere har funnet andre halvledere som er mye bedre å absorbere lys. En gruppe av materialer, kalt "perovskitter, "Kan brukes til å lage solceller som er nesten like effektiv som silisium, men med lysabsorberende lag som er en tusenedel tykkelsen som trengs 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.

De 2000 Nobelpris 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 milliarder dollar industri of organiske lysdioder, 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 fleksibel og potensielt ekstremt holdbar. Regelmessige polymerer - ikke halvledende - finnes overalt i dagliglivet; 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 fra 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 opprette materialer med både gode halvledende egenskaper og holdbarhet 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 fliser eller kanskje til og med overflater på veier eller parkeringsplasser.

Dette arbeidet vil være nøkkelen til å utnytte kraften til sollys - fordi sollyset som rammer jorden på en time, inneholder alt i alt mer energi enn hele menneskeheten bruker i et år.

Om forfatteren

Darren Lipomi, professor i nanoengineering, University of California San Diego

Denne artikkelen ble opprinnelig publisert på Den Conversation. Les opprinnelige artikkelen.

Relaterte bøker

at InnerSelf Market og Amazon