Solpaneler 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 forudsatVi 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 Univ., Forudsat forfatterPyrit 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

Tara 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

at InnerSelf Market og Amazon