Napenergia: Hogyan lehet a "Napelemek" tervezése hasznosítani a Nap energiáját

A napelemek energiatermelő képessége - és kulcsfontosságú korlátozásuk a használatukra - abból a célból jött létre, amit készítettek. A szilíciumból készült panelek árcsökkenése olyan, hogy egyes helyeken villamos energiát biztosítanak, amely körülbelül ugyanolyan költséggel jár, mint a fosszilis tüzelőanyagok, mint a szén és a földgáz. A szilícium napelemek azonban terjedelmesek, merevek és törékenyek, így nem lehetnek bárhol használhatóak.

A világ számos részén, ahol nem rendelkeznek rendszeres villamos energiával, a napelemek sötét és energiájú olvasólámpát biztosíthatnak az ivóvíz szivattyúzására, a kis háztartások vagy falusi cégek energiaellátására, vagy akár sürgősségi menedékhelyek és menekülttáborok kiszolgálására is. A szilícium napelemek mechanikai törékenysége, nehézsége és szállítási nehézségei azonban azt sugallják, hogy a szilícium nem lehet ideális.

Mások munkájára építve kutatócsoportom azon dolgozik, hogy rugalmas napelemeket dolgozzon ki, amelyek ugyanolyan hatékonyak lennének, mint a szilícium panelek, de vékonyak, könnyűek és hajlíthatóak. Ezt a fajta eszközt, amelyet „napkollektornak” nevezünk, el lehetett terjeszteni egy szoba méretére, és villamos energiát termelni a napsütésből, és akár egy grapefruit nagysága is lehet, és egy hátizsákba töltve több mint 1000-szer nélkül. Bár a szerves napelemek rugalmasabbá tétele érdekében némi erőfeszítés történt, a valóságos tartósság olyan molekuláris szerkezetet igényel, amely a napelemeket rugalmasan és keményen teszi.

Szilícium félvezetők

A szilícium homokból származik, ami olcsóvá teszi. És ahogy az atomok tömör anyagba kerülnek, jó félvezetővé teszik, ami azt jelenti, hogy a vezetőképességét elektromos mezők vagy fények segítségével lehet be- és kikapcsolni. Mert olcsó és hasznos, a szilícium az alapja a mikrochipeknek és áramköri lapoknak a számítógépekben, mobiltelefonokban és alapvetően minden más elektronikában, amely elektromos jeleket továbbít az egyik komponensről a másikra. A szilícium is a legfontosabb a legtöbb napelemhez, mert a fényből származó energiát pozitív és negatív töltésekké alakíthatja át. Ezek a töltések a napelem ellentétes oldalaira áramolnak, és akkumulátorként használhatók.

Kémiai tulajdonságai azonban azt is jelentik, hogy nem lehet rugalmas elektronikává alakítani. A szilícium nem hatékonyan szívja fel a fényt. A fotonok áthaladhatnak egy túl vékony szilícium-panelen, így meglehetősen vastagnak kell lenniük - körülbelül 100 mikrométer, körülbelül egy dollárszám vastagsága miatt -, hogy a fény egyik sem kerül hulladékba.

Következő generációs félvezetők

De a kutatók más félvezetőket találtak, amelyek sokkal jobban elnyelik a fényt. A „perovskitáknak” nevezett anyagok egy csoportja felhasználható arra, hogy olyan szoláris cellákat hozzon létre, amelyek szinte ugyanolyan hatékonyak, mint a szilícium, de a fényelnyelő rétegek, amelyek ezerötszöröznek a szilíciumra. Ennek eredményeképpen a kutatók azon dolgoznak, hogy olyan perovskit napelemeket építsenek, amelyek képesek a kis pilóta nélküli légi járművek és más eszközök használatára, ahol a súlycsökkentés kulcsfontosságú tényező.

A 2000-es kémiai Nobel-díjat azoknak a kutatóknak ítélték oda, akik először találtak rá, hogy egy másik típusú ultra-vékony félvezetőt, félvezető polimert kaphatnak. Ezt a fajta anyagot „szerves félvezetőnek” nevezik, mert szénen alapul, és „polimernek” nevezik, mert szerves molekulák hosszú láncaiból áll. A szerves félvezetőket már kereskedelmi forgalomban használják, többek között az organikus fénykibocsátó dióda-kijelzők milliárd dolláros iparágában, jobban ismert OLED TV-ként.

A polimer félvezetők nem olyan hatékonyak, hogy a napfényt villamos energiává alakítsák át, mint a perovskiteket vagy szilíciumot, de sokkal rugalmasabbak és potenciálisan rendkívül tartósak. A mindennapi életben mindenhol megtalálhatók a rendszeres polimerek, nem pedig a félvezető polimerek. Ezek a molekulák alkotják a szövetet, a műanyagot és a festéket. A polimer félvezetők potenciálisan kombinálhatják az olyan anyagok, mint a szilícium elektronikus tulajdonságait a műanyag fizikai tulajdonságaival.

Mindkét világ legjobbja: hatékonyság és tartósság

Szerkezetüktől függően a műanyagok sokféle tulajdonsággal rendelkeznek - beleértve a rugalmasságot is, mint a ponyva; és merevség, mint például néhány gépkocsi testrésze. A félvezető polimereknek merev molekuláris szerkezete van, és sokan apró kristályokból állnak. Ezek kulcsfontosságúak az elektronikus tulajdonságaik szempontjából, de hajlamosak arra, hogy törékenyek legyenek, ami nem kívánatos tulajdonság a rugalmas vagy merev elemek esetében.

A csoportom munkája a jó félvezető tulajdonságokkal rendelkező anyagok létrehozásának módjainak azonosítására összpontosított, és a tartósságú műanyag ismert - akár rugalmas, akár nem. Ez kulcsfontosságú lesz a napelemes ponyva vagy takaró elképzelésem szempontjából, de tetőfedő anyagokhoz, kültéri padlólapokhoz, vagy talán az utak vagy parkolók felszínéhez is vezethet.

Ez a munka kulcsfontosságú lesz a napfény erejének kihasználásában, mert végül a Földön egy órán belül megütő napfény több energiát tartalmaz, mint az emberiség minden évében.

Ezt a cikket eredetileg Darren Lipomi The Conversation című kiadványában tették közzé. Olvassa el az eredeti cikket itt.