Hvordan vi kan få endnu mere energi fra solen

Solpaneler på et Walmart-tag, Mountain View, Californien. Walmart / Flickr, CC BYSolpaneler på et Walmart-tag, Mountain View, Californien.
Walmart / Flickr, CC BY

Den globale efterspørgsel efter energi stiger med timen, efterhånden som udviklingslandene går mod industrialisering. Eksperter vurderer, at i år 2050 kan den verdensomspændende efterspørgsel efter elektricitet nå 30 terawatts (TW). I perspektiv er en terawatt nogenlunde lig med kraften i 1.3 milliarder heste.

Energi fra solen er ubegrænset - solen giver os 120,000 TW strøm på ethvert givet øjeblik - og det er gratis. Men i dag leverer solenergi kun omkring en procent af verdens elektricitet. Den kritiske udfordring er at gøre det billigere at konvertere fotoenergi til brugbar elektrisk energi.

For at gøre det, er vi nødt til at finde materialer, der absorberer sollys og omdanner det til elektricitet effektivt. Derudover ønsker vi, at disse materialer skal være rigelige, miljøvenlige og omkostningseffektive at fremstille til solenheder.

Forskere fra hele verden arbejder på at udvikle solcelle-teknologier, der er effektive og overkommelige. Målet er at bringe installationsomkostningerne for solenergi under US $ 1 pr. Watt sammenlignet med omkring $ 3 pr. watt i dag.

På Binghamton University's Center for autonom solenergi (CASP), vi undersøger måder at fremstille tyndfilm solceller ved hjælp af materialer, der er rigelige i naturen og ikke-giftige. Vi ønsker at udvikle solceller, der er pålidelige, meget effektive til at konvertere sollys til elektricitet og billige at fremstille. Vi har identificeret to materialer, der har et stort potentiale som solabsorbenter: pyrit, bedre kendt som narres guld på grund af dets metalliske glans; og kobber-zink-tin-sulfid (CZTS).

Søger det ideelle materiale

Dagens kommercielle solceller er lavet af et af tre materialer: silicium, cadmium Tellurid (CdTe) og kobber-indium-gallium-selenid (CIGS). Hver har styrker og svagheder.

Solcelle-solceller er meget effektive og konverterer op til 25 procent af sollyset, der falder på dem, til elektricitet og meget holdbart. Det er dog meget dyrt at forarbejde silicium til skiver. Og disse skiver skal være meget tykke (ca. 0.3 millimeter, som er tykke til solceller) for at absorbere alt sollys, der falder på dem, hvilket yderligere øger omkostningerne.

Siliciumsolceller - ofte benævnt første generation af solceller - bruges i panelerne, der er blevet kendte seværdigheder på hustagene. Vores center studerer en anden type kaldet tyndfilms solceller, som er den næste generation af solteknologi. Som deres navn antyder, fremstilles tyndfilms solceller ved at lægge et tyndt lag solabsorberende materiale over et underlag, såsom glas eller plast, som typisk kan være fleksibelt.

Disse solceller bruger mindre materiale, så de er billigere end krystallinske solceller fremstillet af silicium. Det er ikke muligt at belægge krystallinsk silicium på et fleksibelt underlag, så vi har brug for et andet materiale til at bruge som solabsorber.

Selvom tyndfilms-solteknologi forbedrer sig hurtigt, er nogle af materialerne i nutidens tyndfilms-solceller knappe eller farlige. For eksempel er cadmium i CdTe meget giftigt for alle levende ting og er kendt for at forårsage kræft hos mennesker. CdTe kan adskilles i cadmium og Tellurium ved høje temperaturer (for eksempel på et laboratorium eller husbrande), hvilket udgør en alvorlig inhalationsrisiko.

Vi arbejder med pyrit og CZTS, fordi de er giftige og meget billige. CZTS koster ca. 0.005 cent pr. Watt, og pyritomkostninger kun 0.000002 cent pr. watt. De er også blandt de mest rigelige materialer i jordskorpen og absorberer det synlige spektrum af sollys effektivt. Disse film kan være så tynde som 1 / 1000th af en millimeter.

Test af CZTS solceller under simuleret sollys. Tara Dhakal / Binghamton University, forfatter forudsat Test af CZTS solceller under simuleret sollys.
Tara Dhakal / Binghamton University, forfatter forudsat
Vi er nødt til at krystallisere disse materialer, før vi kan fremstille dem i solceller. Dette gøres ved at opvarme dem. CZTS krystalliserer ved temperaturer under 600 grad Celsius sammenlignet med 1,200 grader Celsius eller højere for silicium, hvilket gør det billigere at behandle. Det fungerer meget som højeffektiv solcelleceller af kobberindium gallium selenid (CIGS), som er kommercielt tilgængeligt nu, men erstatter indium og gallium i disse celler med billigere og mere rigeligt zink og tin.

Indtil videre er CZTS solceller imidlertid relativt ineffektive: de konverterer mindre end 13 procent af sollyset, der falder på dem på elektricitet, sammenlignet med 20 procent for dyrere CIGS-solceller.

Vi ved, at CZTS solceller har et potentiale til at være 30 procent effektive. De største udfordringer er 1) at syntetisere CZTS-tynd film i høj kvalitet uden spor af urenheder, og 2) at finde et passende materiale til “buffer” -laget derunder, hvilket hjælper med at samle de elektriske ladninger, som sollys skaber i absorberlaget. Vores laboratorium har produceret en CZTS tynd film med syv procent effektivitet; vi håber snart at nærme os 15 procent effektivitet ved at syntetisere CZTS-lag i høj kvalitet og finde passende buffertlag.

Struktur af en CZTS solcelle. Tara Dhakal / Binghamton University, forfatter forudsatStruktur af en CZTS solcelle.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Forudsat forfatter
Pyrit er en anden potentiel absorber, der kan syntetiseres ved meget lave temperaturer. Vores laboratorium har syntetiseret tyndt pyritfilm, og nu arbejder vi på at lagde disse film i solceller. Denne proces er udfordrende, fordi pyrit let nedbrydes, når den udsættes for varme og fugt. Vi undersøger måder at gøre det mere stabilt uden at påvirke dets solabsorberingsevne og mekaniske egenskaber. Hvis vi kan løse dette problem, kan "narres guld" blive til en smart fotovoltaisk enhed.

I en nylig undersøgelse estimerede forskere ved Stanford University og University of California i Berkeley, at solenergi kunne levere op til 45 procent af amerikansk elektricitet med 2050. For at nå dette mål er vi nødt til at fortsætte med at nedbringe prisen på solenergi og finde måder at gøre solceller mere bæredygtigt. Vi mener, at rigelige, ikke-giftige materialer er nøglen til at realisere potentialet i solenergi.

Om forfatteren

dhakal taraTara P. Dhakal, adjunkt i elektroteknologi og computeringeniør, Binghamton University, State University of New York. Hans forskningsinteresse er vedvarende energi, især solenergi. Hans forskningsmål er at opnå solcelleteknologi, der er miljøvenlig og økonomisk overkommelig.

Denne artikel blev oprindeligt offentliggjort den The Conversation. Læs oprindelige artikel.

Relaterede bøger

InnerSelf Marked

Amazon

enafarzh-CNzh-TWdanltlfifrdeiwhihuiditjakomsnofaplptruesswsvthtrukurvi

følg InnerSelf på

facebook ikontwitter-ikonyoutube-ikoninstagram ikonpintrest ikonrss ikon

 Få det nyeste via e-mail

Ugeblad Daglig inspiration

SENESTE VIDEOER

Den store klimamigration er begyndt
Den store klimamigration er begyndt
by Super Bruger
Klimakrisen tvinger tusinder over hele verden til at flygte, da deres hjem bliver stadig mere ubeboelige.
Den sidste istid fortæller os, hvorfor vi er nødt til at pleje en 2 ℃ temperaturændring
Den sidste istid fortæller os, hvorfor vi er nødt til at pleje en 2 ℃ temperaturændring
by Alan N Williams et al
Den seneste rapport fra det mellemstatslige panel om klimaændringer (IPCC) siger, at uden et væsentligt fald ...
Jorden har været beboelig i milliarder af år - Præcis hvor heldig fik vi?
Jorden har været beboelig i milliarder af år - Præcis hvor heldig fik vi?
by Toby Tyrrell
Det tog udvikling 3 eller 4 milliarder år at producere Homo sapiens. Hvis klimaet havde svigtet helt en gang i det ...
Hvordan kortlægning af vejret for 12,000 år siden kan hjælpe med at forudsige fremtidige klimaændringer
Hvordan kortlægning af vejret for 12,000 år siden kan hjælpe med at forudsige fremtidige klimaændringer
by Brice Rea
Slutningen af ​​den sidste istid, omkring 12,000 år siden, var præget af en sidste kold fase kaldet de Yngre Dryas ...
Det Kaspiske Hav forventes at falde med 9 meter eller mere i dette århundrede
Det Kaspiske Hav forventes at falde med 9 meter eller mere i dette århundrede
by Frank Wesselingh og Matteo Lattuada
Forestil dig, at du er ved kysten og ser ud til havet. Foran dig ligger 100 meter golde sand, der ligner en…
Venus var endnu en gang jordlignende, men klimaændringer gjorde det ubeboelig
Venus var endnu en gang jordlignende, men klimaændringer gjorde det ubeboelig
by Richard Ernst
Vi kan lære meget om klimaforandringer fra Venus, vores søsterplanet. Venus har i øjeblikket en overfladetemperatur på ...
Fem klimatroer: Et nedbrudskurs i forkert information om klimaet
De fem klimatro: Et nedbrudskurs i forkert information om klimaet
by John Cook
Denne video er et nedbrudskurs i misinformation om klimaet, der opsummerer de vigtigste argumenter, der bruges til at rejse tvivl om virkeligheden ...
Arktis har ikke været så varm i 3 millioner år, og det betyder store ændringer for planeten
Arktis har ikke været så varm i 3 millioner år, og det betyder store ændringer for planeten
by Julie Brigham-Grette og Steve Petsch
Hvert år krymper havisen i det arktiske hav til et lavt punkt i midten af ​​september. I år måler den kun 1.44 ...

SENESTE ARTIKLER

grøn energi2 3
Fire grønne brintmuligheder for Midtvesten
by Christian Tae
For at afværge en klimakrise bliver Midtvesten ligesom resten af ​​landet nødt til at dekarbonisere sin økonomi fuldt ud ved at...
ug83qrfw
Større barriere for efterspørgselsrespons skal ophøre
by John Moore, On Earth
Hvis føderale tilsynsmyndigheder gør det rigtige, kan elkunder i hele Midtvesten snart være i stand til at tjene penge, mens...
træer at plante til klima2
Plant disse træer for at forbedre bylivet
by Mike Williams-Rice
En ny undersøgelse fastslår levende egetræer og amerikanske plataner som mestre blandt 17 "supertræer", der vil hjælpe med at gøre byer...
nordhavets havbund
Hvorfor vi skal forstå havbundens geologi for at udnytte vindene
by Natasha Barlow, lektor i kvartær miljøændring, University of Leeds
For ethvert land, der er velsignet med nem adgang til det lavvandede og blæsende Nordsø, vil havvind være nøglen til at møde net...
3 lektioner i skovbrande for skovbyer, da Dixie Fire ødelægger historiske Greenville, Californien
3 lektioner i skovbrande for skovbyer, da Dixie Fire ødelægger historiske Greenville, Californien
by Bart Johnson, professor i landskabsarkitektur, University of Oregon
En løbeild, der brænder i varme, tørre bjergskove, fejede gennem Gold Rush -byen Greenville, Californien, den 4. august…
Kina kan opfylde energi- og klimamål, der begrænser kulkraften
Kina kan opfylde energi- og klimamål, der begrænser kulkraften
by Alvin Lin
På Leader's Climate Summit i april lovede Xi Jinping, at Kina "strengt vil kontrollere kulkraft ...
Blåt vand omgivet af dødt hvidt græs
Kort sporer 30 års ekstrem snesmeltning i hele USA
by Mikayla Mace-Arizona
Et nyt kort over ekstreme snesmeltingshændelser i løbet af de sidste 30 år tydeliggør de processer, der driver hurtig smeltning.
Et fly taber rød brandhæmmende til en skovbrand, da brandmænd parkeret langs en vej ser op i den orange himmel
Modellen forudsiger 10-års udbrud af brande, derefter gradvis tilbagegang
by Hannah Hickey-U. Washington
Et kig på den langsigtede fremtid for naturbrande forudsiger en indledende cirka ti år lang eksplosion af naturbrandaktiviteter, ...

 Få det nyeste via e-mail

Ugeblad Daglig inspiration

Nye holdninger - nye muligheder

InnerSelf.comClimateImpactNews.com | InnerPower.net
MightyNatural.com | WholisticPolitics.com | InnerSelf Marked
Copyright © 1985 - 2021 InnerSelf-publikationer. Alle rettigheder forbeholdes.