Sonpanele op 'n Walmart-dak, Mountain View, Kalifornië.
Walmart / Flickr, CC BY

Die globale vraag na energie styg met die uur soos ontwikkelende lande na industrialisering beweeg. Kenners beraam dat teen die jaar 2050 die wêreldwye vraag na elektrisiteit kan bereik 30 terawatts (TW). Vir perspektief is een terawatt ongeveer gelyk aan die krag van 1.3 miljard perde.

Energie uit die son is onbeperk - die son gee ons 120,000 TW krag op enige gegewe oomblik - en dit is gratis. Maar vandag bied sonenergie aan slegs sowat een persent van die wêreld se elektrisiteit. Die kritieke uitdaging maak dit minder duur om foto-energie in bruikbare elektriese energie om te skakel.

Om dit te kan doen, moet ons materiaal vind wat sonlig absorbeer en dit effektief in elektrisiteit omskep. Daarbenewens wil ons hierdie materiaal oorvloedig, omgewingsvriendelik en koste-effektief wees om in sonkragtoestelle te vervaardig.

Navorsers van regoor die wêreld is besig om sonkeldetegnologieë te ontwikkel wat doeltreffend en bekostigbaar is. Die doel is om die installeringskoste van sonkrag onder US $ 1 per watt te bring, in vergelyking met ongeveer $ 3 per watt vandag.

By Binghamton Universiteit se Sentrum vir outonome sonkrag (CASP), is ons besig om maniere te ondersoek om dun film sonkragsels te maak deur materiale wat oorvloedig van aard en nie-giftig is. Ons wil sonkragte ontwikkel wat betroubaar, hoogs doeltreffend is om sonlig na elektrisiteit te omskep en goedkoop om te vervaardig. Ons het twee materiale geïdentifiseer wat 'n groot potensiaal het as sonabsorbeerders: piriet, beter bekend as dwaas goud as gevolg van sy metaalglans; en koper-sink-tin-sulfied (CZTS).

Op soek na die ideale materiaal

Vandag se kommersiële sonselle word gemaak van een van drie materiale: silikon, kadmiumteluried (CdTe) en koper-indium-gallium-selenied (CIGS). Elkeen het sterk en swak punte.

Silikon sonselle is hoogs doeltreffend, omskep tot 25 persent van die sonlig wat op hulle val in elektrisiteit, en baie duursaam. Dit is egter baie duur om silikon in wafels te verwerk. En hierdie wafels moet baie dik wees (ongeveer 0.3 millimeter, wat dik is vir sonkrag) om al die sonlig wat op hulle val, te absorbeer, wat die koste verder verhoog.

Silikon sonselle - wat dikwels na die son van die eerste generasie verwys word - word gebruik in die panele wat bekend geword het op dakke. Ons sentrum is besig om 'n ander soort dun film son-selle te bestudeer, wat die volgende generasie sonetegnologie is. Soos hulle naam suggereer, word dun film sonselle gemaak deur 'n dun laag sonabsorberende materiaal oor 'n substraat te plaas, soos glas of plastiek, wat tipies buigbaar is.

Hierdie sonneselle gebruik minder materiaal, so hulle is goedkoper as kristallyne sonneselle gemaak van silikon. Dit is nie moontlik om kristallyne silikon op 'n buigsame substraat te bedek nie, dus ons benodig 'n ander materiaal as sonabsorbeerder.

Alhoewel dun film sonkrag tegnologie vinnig verbeter, is sommige van die materiale in vandag se dun film sonkrag skaars of gevaarlik. Byvoorbeeld, die kadmium in CdTe is hoogs giftig vir alle lewende dinge en is bekend om kanker by die mens te veroorsaak. CdTe kan by hoë temperature in kadmium en tellurium skei (byvoorbeeld in 'n laboratorium of huisvuur), wat 'n ernstige inasierisiko inhou.

Ons werk met piriet en CZTS omdat dit onnodig en baie goedkoop is. CZTS kos ongeveer 0.005 sent per watt, en piriet koste 'n blote 0.000002 sent per watt. Hulle is ook een van die volopste materiale in die aardkors, en absorbeer die sigbare spektrum van sonlig doeltreffend. Hierdie films kan so dun wees as 1 / 1000th van 'n millimeter.

Toets CZTS sonkrag onder gesimuleerde sonlig.
Tara Dhakal / Binghamton Universiteit, outeur voorsienOns moet hierdie materiale kristalliseer voordat ons dit in sonnecelle kan vervaardig. Dit word gedoen deur hulle te verhit. CZTS kristalliseer by temperature onder 600 graad Celsius, in vergelyking met 1,200 grade Celsius of hoër vir silikon, wat dit minder duur maak om te verwerk. Dit werk baie soos hoë-effektiwiteit koper indium gallium selenide (CIGS) sonkels, wat nou kommersieel beskikbaar is, maar vervang die indium en gallium in hierdie selle met goedkoper en meer volop sink en tin.

Tot dusver is CZTS se sonselle relatief ondoeltreffend: hulle sit minder as 13 persent van die sonlig wat op hulle val op elektrisiteit, in vergelyking met 20 persentasie vir duurder CIGS sonkrag.

Ons weet dat CZTS sonneselle 'n potensiaal het om 30 persent doeltreffend te wees. Die belangrikste uitdagings is 1), die sintetisering van hoë gehalte CZTS-dun film sonder enige onduidelikhede en 2) om 'n geskikte materiaal vir die "buffer" -laag daaronder te vind, wat help om die elektriese ladings wat sonlig in die absorberlaag skep, te versamel. Ons lab het 'n CZTS dun film vervaardig sewe persent doeltreffendheid; Ons hoop om vinnig 15 persentasie doeltreffend te benader deur sintetisering van hoëgehalte CZTS-lae en die vind van geskikte bufferlae.

Struktuur van 'n CZTS sonnel.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Outeur verskafPyriet is nog 'n potensiële absorber wat by baie lae temperature gesintetiseer kan word. Ons laboratorium het sintetiese piriet dun films geskep, en nou werk ons ​​om die films in sonneselle te laag. Hierdie proses is uitdagend omdat piriet maklik afbreek as dit aan hitte en vog blootgestel word. Ons ondersoek maniere om dit stabieler te maak sonder om sy sonabsorptie en meganiese eienskappe te beïnvloed. As ons hierdie probleem kan oplos, kan "dwaas goud" 'n slim fotovoltaïese toestel word.

In 'n onlangse studie het navorsers aan die Stanford Universiteit en die Universiteit van Kalifornië in Berkeley beraam dat sonkrag kan voorsien tot 45 persentasie van die Amerikaanse elektrisiteit deur 2050. Om daardie doel te bereik, moet ons die koste van sonkrag verminder en maniere vind om sonkragsone meer volhoubaar te maak. Ons glo dat oorvloedige, nie-giftige materiale die sleutel tot die verwesenliking van die potensiaal van sonkrag is.

Oor Die Skrywer

Tara P. Dhakal, Assistent Professor in Elektriese en Rekenaaringenieurswese, Binghamton Universiteit, Universiteit van New York. Sy navorsingsbelangstelling is in hernubare energie, veral sonenergie. Sy navorsingsdoelwit is om sonseltegnologie te bereik wat omgewingsvriendelik en ekonomies bekostigbaar is.

Hierdie artikel is oorspronklik gepubliseer op Die gesprek. Lees die oorspronklike artikel.

verwante Boeke

at InnerSelf Market en Amazon