Panel słoneczny na dachu Walmart, Mountain View, Kalifornia.
Walmart / Flickr, CC BY

Globalne zapotrzebowanie na energię rośnie z każdą godziną, gdy kraje rozwijające się zmierzają w kierunku industrializacji. Eksperci szacują, że do roku 2050 światowe zapotrzebowanie na energię elektryczną może osiągnąć Terawaty 30 (TW). Z perspektywy czasu jeden terawat jest mniej więcej równy mocy miliarda 1.3 koni.

Energia słoneczna jest nieograniczona - słońce zapewnia nam 120,000 TW mocy w dowolnym momencie - i jest za darmo. Ale dziś zapewnia energia słoneczna tylko około jeden procent światowej energii elektrycznej. Najważniejszym wyzwaniem jest obniżenie kosztów konwersji foto-energii w użyteczną energię elektryczną.

Aby to zrobić, musimy znaleźć materiały, które pochłaniają światło słoneczne i skutecznie przekształcają je w energię elektryczną. Ponadto chcemy, aby te materiały były obfite, przyjazne dla środowiska i opłacalne w produkcji w urządzenia słoneczne.

Naukowcy z całego świata pracują nad opracowaniem technologii ogniw słonecznych, które będą wydajne i niedrogie. Celem jest obniżenie kosztów instalacji energii słonecznej poniżej 1 USD na wat, w porównaniu do około 3 $ na wat dzisiaj.

Na Uniwersytecie Binghamton Centrum Autonomicznej Energii Słonecznej (CASP), badamy sposoby wytwarzania cienkowarstwowych ogniw słonecznych przy użyciu materiałów obfitych w naturę i nietoksycznych. Chcemy opracować ogniwa słoneczne, które będą niezawodne, wysoce wydajne w przetwarzaniu światła słonecznego na energię elektryczną i niedrogie w produkcji. Zidentyfikowaliśmy dwa materiały, które mają wielki potencjał jako absorbery słoneczne: piryt, lepiej znany jako złoto głupców ze względu na metaliczny połysk; oraz siarczek miedziowo-cynkowo-cynowy (CZTS).

Poszukuję idealnego materiału

Dzisiejsze komercyjne ogniwa słoneczne wykonane są z jednego z trzech materiałów: krzemu, telluru kadmu (CdTe) i selenku miedziowo-indowo-galowego (CIGS). Każdy ma mocne i słabe strony.

Krzemowe ogniwa słoneczne są bardzo wydajne, przekształcając do 25 procent światła słonecznego, które na nie pada, w energię elektryczną i są bardzo trwałe. Jednak przetwarzanie krzemu w wafle jest bardzo drogie. Te płytki muszą być bardzo grube (około milimetrów 0.3, które są grube dla ogniw słonecznych), aby pochłonąć całe padające na nie światło słoneczne, co dodatkowo zwiększa koszty.

Krzemowe ogniwa słoneczne - często określane jako ogniwa słoneczne pierwszej generacji - są stosowane w panelach, które stały się znane na dachach. Nasze centrum bada inny rodzaj ogniw słonecznych cienkowarstwowych, które są technologią słoneczną nowej generacji. Jak sugeruje ich nazwa, cienkowarstwowe ogniwa słoneczne są wytwarzane przez nałożenie cienkiej warstwy materiału pochłaniającego energię słoneczną na podłoże, takie jak szkło lub plastik, które zazwyczaj mogą być elastyczne.

Te ogniwa słoneczne zużywają mniej materiału, więc są tańsze niż krystaliczne ogniwa słoneczne wykonane z krzemu. Nie jest możliwe powlekanie krzemu krystalicznego na elastycznym podłożu, dlatego potrzebujemy innego materiału do zastosowania jako pochłaniacza słońca.

Chociaż technologia cienkowarstwowych ogniw słonecznych szybko się poprawia, niektóre materiały we współczesnych cienkowarstwowych ogniwach słonecznych są rzadkie lub niebezpieczne. Na przykład kadm w CdTe jest wysoce toksyczny dla wszystkich żywych istot i wiadomo, że powoduje raka u ludzi. CdTe może rozdzielić się na kadm i tellur w wysokich temperaturach (na przykład w laboratorium lub w domu), co stwarza poważne ryzyko wdychania.

Współpracujemy z pirytem i CZTS, ponieważ są nietoksyczne i bardzo tanie. CZTS kosztuje około centów 0.005 za wat, a koszty pirytu zaledwie 0.000002 centów za wat. Są również jednymi z najbardziej obfitych materiałów w skorupie ziemskiej i skutecznie pochłaniają widzialne spektrum światła słonecznego. Filmy te mogą być tak cienkie jak 1 / 1000th milimetra.

Testowanie ogniw słonecznych CZTS w symulowanym świetle słonecznym.
Tara Dhakal / Binghamton University, autor pod warunkiemMusimy skrystalizować te materiały, zanim będziemy mogli wytworzyć je w ogniwa słoneczne. Odbywa się to poprzez ich ogrzewanie. CZTS krystalizuje w temperaturach poniżej 600 stopni Celsjusza, w porównaniu do 1,200 stopni Celsjusza lub wyższych dla krzemu, co czyni go tańszym w obróbce. Działa podobnie jak wysokosprawne ogniwa słoneczne z selenku galu i indu galu (CIGS), które są obecnie dostępne w handlu, ale zastępuje ind i gal w tych ogniwach tańszym i bogatszym cynkiem i cyną.

Jednak jak dotąd ogniwa słoneczne CZTS są stosunkowo nieefektywne: przetwarzają mniej niż Wzrost o 13 światła słonecznego, które pada na nie, w porównaniu do procentu 20 dla droższych ogniw słonecznych CIGS.

Wiemy, że ogniwa słoneczne CZTS mogą być procentowo wydajne w 30. Główne wyzwania to 1) synteza wysokiej jakości cienkiej folii CZTS bez żadnych śladów zanieczyszczeń oraz 2) znalezienie odpowiedniego materiału na warstwę „buforową” pod nią, która pomaga zbierać ładunki elektryczne wytwarzane przez światło słoneczne w warstwie absorbera. Nasze laboratorium wyprodukowało cienki film CZTS siedem procent wydajności; mamy nadzieję wkrótce zbliżyć się do wydajności procentowej 15 poprzez syntezę wysokiej jakości warstw CZTS i znalezienie odpowiednich warstw buforowych.

Struktura ogniwa słonecznego CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Autor pod warunkiemPiryt jest kolejnym potencjalnym pochłaniaczem, który można syntetyzować w bardzo niskich temperaturach. Nasze laboratorium zsyntetyzowało cienkie błony pirytu, a teraz pracujemy nad ich warstwą w ogniwa słoneczne. Proces ten jest trudny, ponieważ piryt łatwo się rozkłada, gdy jest wystawiony na działanie ciepła i wilgoci. Badamy sposoby, aby uczynić go bardziej stabilnym bez wpływu na jego chłonność słoneczną i właściwości mechaniczne. Jeśli uda nam się rozwiązać ten problem, „złoto głupca” może zmienić się w inteligentne urządzenie fotowoltaiczne.

W ostatnich badaniach naukowcy z Uniwersytetu Stanforda i Uniwersytetu Kalifornijskiego w Berkeley oszacowali, że energia słoneczna może zapewnić do 45 procent amerykańskiej energii elektrycznej przez 2050. Aby osiągnąć ten cel, musimy nadal obniżać koszty energii słonecznej i znajdować sposoby, aby ogniwa słoneczne były bardziej zrównoważone. Wierzymy, że obfite, nietoksyczne materiały są kluczem do wykorzystania potencjału energii słonecznej.

O autorze

Tara P. Dhakal, adiunkt elektrotechniki i informatyki, Binghamton University, State University of New York. Jego zainteresowania badawcze dotyczą energii odnawialnej, w szczególności energii słonecznej. Jego celem badawczym jest osiągnięcie technologii ogniw słonecznych, która będzie przyjazna dla środowiska i ekonomicznie dostępna.

Ten artykuł został pierwotnie opublikowany w Konwersacje. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

at Rynek wewnętrzny i Amazon