Nuværende solteknologier er ikke gode nok. Antonio Garcia om Unsplash, FAL

Efterspørgslen efter billigere, grønnere elektricitet betyder, at energilandskabet ændrer sig hurtigere end på noget andet tidspunkt i historien. Dette gælder især soldrevet elektricitet , batterilagring. Omkostningerne ved begge er faldet med hidtil uset hastighed i løbet af det sidste årti, og energieffektive teknologier som f.eks LED-belysning har også udvidet.

Adgang til billig og allestedsnærværende solenergi og lagring vil ændre den måde, vi producerer og bruger strøm på, hvilket muliggør elektrificering af transportsektoren. Der er potentiale for nye kemiske baserede økonomier, hvor vi opbevare vedvarende energi som brændselog understøtter nye enheder, der udgør en “tingenes internet".

Men vores nuværende energiteknologier fører os ikke til denne fremtid: vi vil snart ramme effektivitets- og omkostningsgrænser. Det potentiale for fremtidige reduktioner i omkostningerne ved elektricitet fra silicium sol er f.eks. begrænset. Fremstillingen af ​​hvert panel kræver en hel del energi, og fabrikker er dyrt at bygge. Og selvom produktionsomkostningerne kan presses lidt længere, er omkostningerne ved en solinstallation nu domineret af ekstramateriale - installation, ledningsføring, elektronikken og så videre.

Dette betyder, at nuværende solcelleanlæg sandsynligvis ikke vil opfylde den krævede brøkdel af vores 30 TeraWatt (TW) globale strømbehov (de producerer mindre end 1 TW i dag) Hurtigt nok at tackle spørgsmål som klimaændringer.

Ligeledes er vores nuværende LED-belysning og displayteknologier for dyre og ikke af god nok farvekvalitet til realistisk at erstatte traditionel belysning i en kort nok tidsramme. Dette er et problem, da belysning i øjeblikket tegner sig for 5% af verdens kulstofemissioner. Nye teknologier er nødvendige for at udfylde dette hul og hurtigt.

Halogenid perovskitter

Vores laboratorium i Cambridge, England, arbejder med en lovende ny familie af materialer kendt som halogenidperovskitter. De er halvledere, der leder ladninger, når de stimuleres med lys. Perovskitblæk deponeres på glas eller plastik for at fremstille ekstremt tynde film - omkring en hundrededel af bredden af ​​et menneskehår - bestående af metal, halogenid og organiske ioner. Når disse film er klemt ind mellem elektrodekontakter, fremstiller disse film solcelle- eller LED-enheder.

Utroligt nok kan lysets farve, de absorberer eller udsender, ændres ved blot at justere deres kemiske struktur. Ved at ændre den måde, vi dyrker dem på, kan vi skræddersy dem til at være mere egnede til at absorbere lys (til et solpanel) eller udsende lys (til en LED). Dette giver os mulighed for at fremstille solceller og lysdioder i forskellige farver, der udsender lys fra den ultraviolette, lige igennem til det synlige og næsten infrarøde.

På trods af deres billige og alsidige behandling har disse materialer vist sig at være bemærkelsesværdigt effektive som både solceller og lysstråler. Perovskite solceller ramt 25.2% effektivitet i 2019, varmt på hælene af krystallinske siliciumceller ved 26.7%, og perovskite-lysdioder er allerede nærmer sig off-the-shelf organisk lysemitterende diode (OLED) forestillinger.

Disse teknologier er hurtigt kommercialiseret, især på solcellefronten. UK-baserede Oxford Photovoltaics har bygget en produktionslinje og udfylder sine første indkøbsordrer i begyndelsen 2021. Det polske selskab Saule Technologies udgav prototype-produkter i slutningen af ​​2018, inklusive en perovskite solfasadepilot. Den kinesiske producent Microquanta Semiconductor forventer at producere mere end 200,000 kvadratmeter af paneler i sin produktionslinje inden årets udgang. Det amerikanske baserede Swift Solar (et firma, jeg var med til at grundlægge) er banebrydende Høj ydeevne celler med lette, fleksible egenskaber.

Farvede perovskite lysemitterende blæk, der kan støbes ned i tynde film. © Sandeep Pathak, Forfatter leveret

Mellem disse og andre virksomheder, der sker hurtige fremskridt.

Solvinduer og fleksible paneler

I modsætning til konventionelle siliciumceller, som skal være meget ensartede for høj effektivitet, består perovskitfilm af mosaik “korn” af meget variabel størrelse (fra nano-meter til millimeter) og kemi - og alligevel fungerer de næsten lige så godt som de bedste siliciumceller i dag. Hvad mere er, små pletter eller defekter i perovskite-film fører ikke til betydelige strømtab. Sådanne mangler ville være katastrofale for et siliciumpanel eller en kommerciel LED.

Selvom vi stadig forsøger at forstå dette, tvinger disse materialer samfundet til at omskrive lærebogen til det, vi betragter som en ideel halvleder: de kan have meget gode optiske og elektroniske egenskaber på trods af - eller måske endda på grund af - uorden.

Vi kunne hypotetisk bruge disse materialer til at lave "designer" farvede solceller, der smelter sammen med bygninger eller huse eller solvinduer, der ligner tonet glas, men alligevel genererer magt.

Men den reelle mulighed er at udvikle meget effektive celler ud over siliciumcellernes effektivitet. For eksempel kan vi lag to forskellige farvede perovskitfilm sammen i en "Tandem" solcelle. Hvert lag høstede forskellige regioner i solspektret, hvilket øger celleens samlede effektivitet.

Et andet eksempel er, hvad Oxford PV er banebrydende: tilføjelse af et perovskitlag oven på en standard siliciumcelle, hvilket øger effektiviteten af ​​den eksisterende teknologi uden betydelige meromkostninger. Disse tilgange til tandemlagdeling kunne hurtigt skabe en øge effektiviteten af solpaneler ud over 30%, hvilket ville reducere både panel- og systemomkostningerne og samtidig reducere deres energifodaftryk.

Disse perovskitlag udvikles også til fremstilling af fleksible solpaneler, der kan behandles til at rulle som avispapir yderligere reducere omkostningerne. Letvægts, kraftig solcelle åbner også muligheder for at drive elektriske køretøjer og kommunikationssatellitter.

Fleksibel perovskite prototype solcelle. Plamen Petkov for Scientific American

For lysdioder kan perovskites opnå fantastisk farvekvalitet hvilket kunne føre til avancerede fleksible skærmteknologier. Perovskites kunne også give billigere, højere kvalitet hvid belysning end nutidens kommercielle lysdioder med "farvetemperaturen" på en klode, der kan fremstilles for at give køligt eller varmt hvidt lys eller en hvilken som helst ønsket skygge imellem. De skaber også spænding som byggesten til fremtidige kvantecomputere, såvel som Røntgendetektorer til ekstrem lavdosis medicinsk og sikkerhedsbilleddannelse.

Selvom de første produkter allerede er på vej, er der stadig udfordringer. Et centralt spørgsmål er at demonstrere langsigtet stabilitet. Men forskningen er lovende, og når disse er løst, kan halogenidperovskitter virkelig drive transformationen af ​​vores energiproduktion og forbrug.

Om forfatteren

Sam Stranks, lektor i energi og Royal Society University Research Fellow, University of Cambridge

Denne artikel er genudgivet fra The Conversation under en Creative Commons-licens. Læs oprindelige artikel.

Relaterede bøger

Nedtrapning: Den mest omfattende plan, der nogensinde er blevet foreslået til at vende global opvarmning

af Paul Hawken og Tom Steyer
I lyset af udbredt frygt og apati er en international koalition af forskere, fagfolk og forskere mødtes for at tilbyde et sæt realistiske og dristige løsninger på klimaforandringer. Hundrede teknikker og fremgangsmåder er beskrevet her - nogle er velkendte; nogle du måske aldrig har hørt om. De spænder fra ren energi til at uddanne piger i lande med lavere indkomst til praksis i landbruget, der trækker kulstof ud af luften. Løsningerne findes, er økonomisk levedygtige, og samfund overalt i verden vedtager i øjeblikket dem med dygtighed og beslutsomhed. Fås på Amazon

Design af klimaløsninger: En politikvejledning til lav-kulstofenergi

af Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Da virkningerne af klimaændringerne allerede er over os, er behovet for at reducere de globale drivhusgasemissioner intet mindre end presserende. Det er en skræmmende udfordring, men teknologierne og strategierne til at imødekomme den findes i dag. Et lille sæt energipolitikker, der er designet og implementeret godt, kan sætte os på vejen mod en fremtid med lav kulstofemission. Energisystemer er store og komplekse, så energipolitikken skal være fokuseret og omkostningseffektiv. One-size-fits-all-tilgange får simpelthen ikke jobbet gjort. Politiske beslutningstagere har brug for en klar, omfattende ressource, der skitserer de energipolitikker, der har størst indflydelse på vores klimafremtid, og beskriver, hvordan disse politikker skal designes godt. Fås på Amazon

Dette ændrer alt: kapitalisme vs. klima

af Naomi Klein
In Dette ændrer alt Naomi Klein hævder, at klimaforandringer ikke kun er et andet spørgsmål, der skal indbringes pænt mellem skatter og sundhedsvæsen. Det er en alarm, der opfordrer os til at løse et økonomisk system, der allerede svigter os på mange måder. Klein bygger omhyggeligt sagen for, hvor massivt at reducere vores drivhusemissioner er vores bedste chance for samtidig at mindske gabende uligheder, forestille os vores ødelagte demokratier og genopbygge vores slanke lokale økonomier. Hun udsætter den ideologiske desperation af klimaændringsnægterne, de messianske vrangforestillinger fra de ville være geoengineers og den tragiske nederlag fra for mange mainstream grønne initiativer. Og hun demonstrerer netop, hvorfor markedet ikke har - og ikke kan - løse klimakrisen, men i stedet forværre tingene med stadig mere ekstreme og økologisk ødelæggende udvindingsmetoder ledsaget af voldsom katastrofekapitalisme. Fås på Amazon

Fra udgiveren:
Køb på Amazon går til at bekæmpe omkostningerne ved at bringe dig InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, , ClimateImpactNews.com uden omkostninger og uden annoncører, der sporer dine browservaner. Selv hvis du klikker på et link, men ikke køber disse valgte produkter, betaler alt andet, du køber i det samme besøg på Amazon, en lille provision. Der er ingen ekstra omkostninger for dig, så vær venlig at bidrage til indsatsen. Du kan også bruge dette link at bruge til Amazon når som helst, så du kan hjælpe med at støtte vores indsats.