Сонячна енергія: Як «Сонячна Тарп» може використати силу Сонця

Енергетичний потенціал сонячних батарей - і ключове обмеження їх використання - є результатом того, з чого вони виготовлені. Панелі з кремнію знижуються в ціні так, що в деяких місцях вони можуть забезпечити електроенергією, що коштує приблизно так само, як енергія з викопного палива, як вугілля та природний газ. Але кремнієві сонячні панелі також є громіздкими, жорсткими і крихкими, тому їх не можна використовувати скрізь.

У багатьох частинах світу, які не мають регулярного електропостачання, сонячні батареї можуть забезпечити світло для читання після темряви та енергію для наповнення питною водою, допомоги невеликим господарствам або селищним підприємствам, або навіть надавати притулки та табори для біженців. Але механічна крихкість, важкість і транспортні труднощі кремнієвих сонячних панелей свідчать про те, що кремній може бути не ідеальним.

Спираючись на роботу інших, моя дослідницька група працює над розробкою гнучких сонячних панелей, які будуть настільки ж ефективними, як і кремнієві панелі, але будуть тонкими, легкими і гнучими. Такий пристрій, який ми називаємо "сонячною брезентом", може бути поширений на розмір кімнати і генерувати електроенергію від сонця, і він може бути розміщений у розмірі грейпфрута і набитий у рюкзак безліч як 1000 разів, не порушуючи. Хоча було зроблено певні зусилля, щоб зробити органічні сонячні елементи більш гнучкими, просто зробивши їх надтонкими, реальна довговічність вимагає молекулярної структури, що робить сонячні панелі розтяжними і жорсткими.

Кремнієві напівпровідники

Кремній утворюється з піску, що робить його дешевим. І спосіб його пакування в твердий матеріал робить його хорошим напівпровідником, тобто його електропровідність може включатися і вимикатись за допомогою електричних полів або світла. Тому що це дешевий і корисний, кремній є основою для мікрочіпів і плат у комп'ютерах, мобільних телефонах, і в основному всі інші електроніки, передаючи електричні сигнали від одного компонента до іншого. Кремній також є ключем до більшості сонячних панелей, оскільки він може перетворювати енергію з світла в позитивні і негативні заряди. Ці заряди протікають до протилежних сторін сонячного елемента і можуть використовуватися як батарея.

Але його хімічні властивості також означають, що він не може бути перетворений в гнучку електроніку. Кремній не вбирає світло дуже ефективно. Фотони можуть проходити через тонкий кремнієвий панель, тому вони повинні бути досить товстими - близько 100 мікрометрів, приблизно товщиною доларової купюри - так що жодне світло не витрачається.

Напівпровідники наступного покоління

Але дослідники виявили інші напівпровідники, які набагато краще поглинають світло. Одна група матеріалів, що називається «перовскітами», може бути використана для виготовлення сонячних елементів, які є майже такими ж ефективними, як і кремнієві, але з шарами, що поглинають світло, і мають одну тисячну товщину, необхідну для кремнію. У результаті дослідники працюють над створенням перовскітних сонячних батарей, здатних живити невеликі безпілотні літальні апарати та інші пристрої, де зниження ваги є ключовим фактором.

Нобелівська премія з хімії 2000 року була присуджена дослідникам, які вперше виявили, що вони можуть зробити інший тип ультратонкого напівпровідника, який називається напівпровідниковим полімером. Цей тип матеріалу називають «органічним напівпровідником», оскільки він заснований на вуглеці, і його називають «полімером», оскільки він складається з довгих ланцюгів органічних молекул. Органічні напівпровідники вже комерційно використовуються, в тому числі в промисловості, що складається з мільйонів доларів органічних світлодіодних дисплеїв, більш відомих як OLED телевізори.

Полімерні напівпровідники не настільки ефективні при перетворенні сонячного світла в електроенергію як перовскіти або кремнію, але вони набагато гнучкіші та потенційно надзвичайно довговічні. Регулярні полімери - не напівпровідникові - знаходяться повсюдно в повсякденному житті. Це молекули, які складають тканину, пластик і фарбу. Полімерні напівпровідники мають потенціал поєднувати електронні властивості матеріалів, таких як кремній, з фізичними властивостями пластику.

Краще з обох світів: ефективність і довговічність

Залежно від їхньої структури, пластмаси мають широкий спектр властивостей - включаючи як гнучкість, так і з брезентом; та жорсткість, як панелі тіла деяких автомобілів. Напівпровідникові полімери мають жорсткі молекулярні структури, і багато з них складаються з крихітних кристалів. Вони є ключовими для їх електронних властивостей, але, як правило, роблять їх крихкими, що не є бажаним атрибутом для гнучких або жорстких елементів.

Робота моєї групи була зосереджена на виявленні способів створення матеріалів з добрими напівпровідниковими властивостями, а також відома міцність пластмас - чи то гнучка, чи ні. Це буде ключем до моєї ідеї сонячної брезенту або ковдри, але також може призвести до покрівельних матеріалів, зовнішніх плиток для підлоги або, можливо, навіть до поверхонь доріг або автостоянок.

Ця робота буде ключем до використання потужності сонячного світла - адже, зрештою, сонячне світло, яке вражає Землю за одну годину, містить більше енергії, ніж всі людства використовують протягом року.

Ця стаття була спочатку опублікована на бесіді Даррена Ліпомі. Читайте оригінальну статтю тут.