Solpaneler på et Walmart tak, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY

Den globale etterspørselen etter energi øker etter en time som utviklingsland beveger seg mot industrialisering. Eksperter anslår at innen år 2050, kan verdensomspennende etterspørsel etter elektrisitet nå 30 terawatts (TW). For perspektiv er en terawatt omtrent lik kraften til 1.3 milliarder hester.

Energi fra solen er ubegrenset - solen gir oss 120,000 TW kraft på et hvilket som helst øyeblikk - og det er gratis. Men i dag leverer solenergi bare om lag en prosent av verdens strøm. Den kritiske utfordringen gjør det billigere å konvertere fotoenergi til brukbar elektrisk energi.

For å gjøre det, må vi finne materialer som absorberer sollys og konverterer det til elektrisitet effektivt. I tillegg ønsker vi at disse materialene skal være rikelig, miljøvennlige og kostnadseffektive for å produsere til solenheter.

Forskere fra hele verden arbeider for å utvikle solcelle teknologier som er effektive og rimelige. Målet er å bringe installasjonskostnaden for solenergi under US $ 1 per watt, sammenlignet med omtrent $ 3 per watt i dag.

På Binghamton University Senter for autonom solenergi (CASP), vi undersøker måter å lage tynnfilm solceller ved hjelp av materialer som er rikelig i naturen og ikke-toksisk. Vi ønsker å utvikle solceller som er pålitelige, svært effektive for å konvertere sollys til elektrisitet og billig å produsere. Vi har identifisert to materialer som har stort potensial som solabsorbenter: pyritt, bedre kjent som dårens gull på grunn av dets metalliske glans; og kobber-sink-tinn-sulfid (CZTS).

Søker det ideelle materialet

Dagens kommersielle solceller er laget av ett av tre materialer: silisium, cadmium telluride (CdTe) og kobber-indium-gallium-selenid (CIGS). Hver har sterke og svake sider.

Silisium solceller er svært effektive, konverterer opp til 25 prosent av sollyset som faller på dem til elektrisitet, og svært slitesterk. Imidlertid er det veldig dyrt å bearbeide silisium i vafler. Og disse wafene må være veldig tykke (om 0.3 millimeter, som er tykk for solceller) for å absorbere alt sollys som faller på dem, noe som ytterligere øker kostnadene.

Silisium solceller - ofte referert til som første generasjon solceller - brukes i panelene som har blitt kjent severdigheter på hustak. Vårt senter studerer en annen type kalt tynnfilm solceller, som er neste generasjon av solenergi teknologi. Som navnet antyder, blir tynnfilm solceller laget av et tynt lag av solabsorberende materiale over et underlag, for eksempel glass eller plast, som typisk kan være fleksibel.

Disse solceller bruker mindre materiale, så de er billigere enn krystallinske solceller laget av silisium. Det er ikke mulig å belegge krystallinsk silisium på et fleksibelt substrat, så vi trenger et annet materiale som skal brukes som solabsorber.

Selv om tynnfilmsolteknologi forbedrer seg raskt, er noen av materialene i dagens tynnfilm solceller knappe eller farlige. For eksempel er kadmium i CdTe svært giftig for alle levende ting og er kjent for å forårsake kreft hos mennesker. CdTe kan skille seg inn i kadmium og tellurium ved høye temperaturer (for eksempel i et laboratorium eller husbrann), noe som utgjør en alvorlig innåndingsrisiko.

Vi jobber med pyritt og CZTS fordi de er ugiftige og svært billige. CZTS koster omtrent 0.005 cent per watt, og pyrittkostnader bare 0.000002 cent per watt. De er også blant de mest omfattende materialene i jordskorpen, og absorberer det synlige spektret av sollys effektivt. Disse filmene kan være så tynne som 1 / 1000th av en millimeter.

Testing CZTS solceller under simulert sollys.
Tara Dhakal / Binghamton University, forfatter gittVi må krystallisere disse materialene før vi kan lage dem i solceller. Dette gjøres ved å varme dem. CZTS krystalliserer ved temperaturer under 600 grad Celsius, sammenlignet med 1,200 grader Celsius eller høyere for silisium, noe som gjør det mindre kostbart å behandle. Det fungerer mye som høyeffektive kobberindium gallium selenid (CIGS) solceller, som er kommersielt tilgjengelige nå, men erstatter indium og gallium i disse cellene med billigere og mer rikelig sink og tinn.

Så langt er imidlertid CZTS solceller relativt ineffektive: de konverterer mindre enn 13 prosent av sollyset som faller på dem til elektrisitet, sammenlignet med 20 prosent for dyrere CIGS solceller.

Vi vet at CZTS solceller har potensial til å være 30 prosent effektiv. Hovedutfordringene er 1), syntetisering av CZTS-tynn film av høy kvalitet uten spor av urenheter, og 2) å finne et passende materiale for "buffer" laget under det, noe som bidrar til å samle de elektriske ladningene som sollys skaper i absorberlaget. Vårt laboratorium har produsert en CZTS tynn film med syv prosent effektivitet; Vi håper å nærme oss effektiviteten 15 prosent ved å syntetisere CZTS-lag av høy kvalitet og finne passende bufferlag.

Struktur av en CZTS solcelle.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Forfatter gittPyritt er en annen potensiell absorber som kan syntetiseres ved svært lave temperaturer. Vårt laboratorium har syntetiserte pyritt-tynne filmer, og nå jobber vi med å lagre filmene i solceller. Denne prosessen er utfordrende fordi pyritt bryter ned lett når det er utsatt for varme og fuktighet. Vi undersøker måter å gjøre det mer stabilt uten å påvirke solens absorpsjon og mekaniske egenskaper. Hvis vi kan løse dette problemet, kan "dårens gull" bli en smart fotovoltaisk enhet.

I en nylig studie, forskere ved Stanford University og University of California i Berkeley anslått at solenergi kunne gi opp til 45 prosent av amerikansk elektrisitet av 2050. For å møte dette målet må vi fortsette å redusere kostnadene for solenergi og finne måter å gjøre solceller mer bærekraftig. Vi tror at rikelig, ikke-toksisk materiale er nøkkelen til å realisere potensialet for solenergi.

Om forfatteren

Tara P. Dhakal, assisterende professor i elektroteknikk og datateknikk, Binghamton University, State University of New York. Hans forskningsinteresse er i fornybar energi, særlig solenergi. Hans forskningsmål er å oppnå solcelleteknologi som er miljøvennlig og økonomisk rimelig.

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

Relaterte bøker

at InnerSelf Market og Amazon