Jak nowa technologia słoneczna i oświetleniowa może przyspieszyć transformację energii odnawialnej
Obecne technologie słoneczne nie są wystarczająco dobre.
Antonio Garcia na Unsplash, FAL

Zapotrzebowanie na tańszą, bardziej ekologiczną energię elektryczną oznacza, że ​​krajobraz energetyczny zmienia się szybciej niż w jakimkolwiek innym momencie historii. Dotyczy to w szczególności energia elektryczna zasilana energią słoneczną i przechowywanie baterii. Koszt obu spadł w bezprecedensowym tempie w ciągu ostatniej dekady, a energooszczędne technologie, takie jak Oświetlenie LED również się rozszerzyły.

Dostęp do taniej i wszechobecnej energii słonecznej i jej magazynowania zmieni sposób, w jaki produkujemy i wykorzystujemy energię, umożliwiając elektryfikację sektora transportu. Istnieje potencjał dla nowych gospodarek opartych na chemii, w których my przechowywać energię odnawialną jako paliwai obsługują nowe urządzenia tworzące „Internet przedmiotów".

Ale nasze obecne technologie energetyczne nie doprowadzą nas do tej przyszłości: wkrótce osiągniemy limity wydajności i kosztów. Plik potencjał przyszłych redukcji na przykład koszt energii elektrycznej z krzemowej energii słonecznej jest ograniczony. Produkcja każdego panelu wymaga sporej ilości energii, a fabryki to robią drogie w budowie. I chociaż koszt produkcji można nieco obniżyć, koszty instalacji solarnej są teraz zdominowany przez dodatki - instalacja, okablowanie, elektronika i tak dalej.

Oznacza to, że obecne systemy energii słonecznej prawdopodobnie nie spełnią wymaganego ułamka naszego globalnego zapotrzebowania na moc 30 TeraWatów (TW) (obecnie produkują mniej niż 1 TW). wystarczająco szybko zajęcie się takimi kwestiami, jak zmiana klimatu.


wewnętrzna grafika subskrypcji


Podobnie nasze obecne technologie oświetlenia i wyświetlaczy LED są zbyt drogie i nie mają wystarczająco dobrej jakości kolorów, aby realistycznie zastąpić tradycyjne oświetlenie w wystarczająco krótkim czasie. Jest to problem, ponieważ obecnie dotyczy oświetlenia 5% światowej emisji dwutlenku węgla. Potrzebne są nowe technologie, aby wypełnić tę lukę i to szybko.

Perowskity halogenkowe

Nasze laboratorium w CambridgeZ Anglii pracuje nad obiecującą nową rodziną materiałów znaną jako perowskity halogenkowe. Są półprzewodnikami, przewodzącymi ładunki pod wpływem światła. Atramenty perowskitowe osadza się na szkle lub tworzywie sztucznym, tworząc niezwykle cienkie warstwy - około jednej setnej szerokości ludzkiego włosa - składające się z metalu, halogenków i jonów organicznych. Po umieszczeniu między stykami elektrod te folie tworzą ogniwa słoneczne lub urządzenia LED.

O dziwo, kolor światła, które pochłaniają lub emitują, można zmienić po prostu poprzez ulepszenie ich struktury chemicznej. Zmieniając sposób ich uprawy, możemy dostosować je tak, aby były bardziej odpowiednie do pochłaniania światła (w przypadku panelu słonecznego) lub emitowania światła (w przypadku diody LED). To pozwala nam tworzyć ogniwa słoneczne i diody LED o różnych kolorach, emitujące światło od ultrafioletu, aż po widzialną i bliską podczerwień.

Pomimo ich taniego i wszechstronnego przetwarzania, materiały te okazały się niezwykle wydajne zarówno jako ogniwa słoneczne, jak i emitery światła. Uderzenie w ogniwa słoneczne Perovskite 25.2% wydajności w 2019 r, gorąco na piętach krystalicznych ogniw krzemowych na poziomie 26.7%, a perowskitowe diody LED już są zbliżający się wydajność standardowych organicznych diod elektroluminescencyjnych (OLED).

Te technologie są szybko podlega komercjalizacji, szczególnie na froncie ogniw słonecznych. Brytyjska firma Oxford Photovoltaics ma zbudował linię produkcyjną i realizuje swoje pierwsze zamówienia na początku 2021. Polska firma Saule Technologies wypuściła pod koniec 2018 roku prototypowe produkty, w tym m.in. pilot elewacji słonecznej z perowskitu. Chiński producent Microquanta Semiconductor spodziewa się wyprodukować więcej niż 200,000 metrów kwadratowych paneli w swojej linii produkcyjnej przed końcem roku. Swift Solar z siedzibą w USA (firma, której jestem współzałożycielem) jest pionierem wysoka wydajność komórki o lekkich, elastycznych właściwościach.

Kolorowe atramenty perowskitowe emitujące światło, które można rozlać na cienkie warstwy.Kolorowe atramenty perowskitowe emitujące światło, które można rozlać na cienkie warstwy. © Sandeep Pathak, Autor pod warunkiem

Między te i inne firmynastępuje szybki postęp.

Okna słoneczne i panele elastyczne

W przeciwieństwie do konwencjonalnych ogniw krzemowych, które muszą być bardzo jednolite, aby uzyskać wysoką wydajność, składają się z folii perowskitowej mozaika „ziarna” bardzo zróżnicowanych rozmiarów (od nanometrów do milimetrów) i chemii - a mimo to działają prawie tak dobrze, jak najlepsze obecnie ogniwa krzemowe. Co więcej, drobne wypryski lub wady w foliach perowskitowych nie prowadzą do znacznych strat mocy. Takie wady byłyby katastrofalne dla panelu krzemowego lub komercyjnej diody LED.

Chociaż wciąż staramy się to zrozumieć, materiały te zmuszają społeczność do przepisania podręcznika na coś, co uważamy za idealny półprzewodnik: mogą mieć bardzo dobre właściwości optyczne i elektroniczne pomimo - lub może nawet z powodu - nieporządku.

Moglibyśmy hipotetycznie wykorzystać te materiały do ​​stworzenia „designerskich” kolorowych ogniw słonecznych, które wtapiają się w budynki lub domy, lub okien słonecznych, które wyglądają jak przyciemniane szkło, ale generują power.

Ale prawdziwą szansą jest opracowanie wysoce wydajnych ogniw wykraczających poza wydajność ogniw krzemowych. Na przykład możemy nakładać razem dwie różne kolorowe folie perowskitowe w pliku „Tandemowe” ogniwo słoneczne. Każda warstwa zbierałaby różne regiony widma słonecznego, zwiększając ogólną wydajność ogniwa.

Innym przykładem jest pionierska technologia Oxford PV: dodanie warstwy perowskitu na wierzchu standardowego ogniwa krzemowego, zwiększenie wydajności istniejącej technologii bez znaczących dodatkowych kosztów. Te tandemowe podejścia do warstwowania mogą szybko utworzyć plik zwiększenie wydajności paneli słonecznych ponad 30%, co zmniejszyłoby zarówno koszty panelu, jak i systemu, a jednocześnie zmniejszyło ich ślad energetyczny.

Te warstwy perowskitu są również opracowywane w celu wytwarzania elastycznych paneli słonecznych, które można dalej przetwarzać na rolki jak papier gazetowy redukcja kosztów. Lekkie, wysokowydajne ogniwa słoneczne otwierają również możliwości zasilania pojazdów elektrycznych i satelitów komunikacyjnych.

Elastyczny prototyp ogniwa słonecznego perowskitu.Elastyczny prototyp ogniwa słonecznego perowskitu. Plamen Petkov dla Scientific American

W przypadku diod LED perowskity mogą być fantastyczne jakość koloru co może prowadzić do zaawansowania elastyczne technologie wyświetlania. Perowskity mogą również dać tańszą, wyższą jakość białe oświetlenie niż dzisiejsze komercyjne diody LED, z „temperaturą barwową” kuli, którą można wyprodukować tak, aby dawała chłodne lub ciepłe białe światło lub dowolny pożądany odcień pomiędzy nimi. Generują również emocje jako elementy budulcowe przyszłe komputery kwantowe, jak również Detektory rentgenowskie do obrazowania medycznego i bezpieczeństwa przy ekstremalnie niskich dawkach.

Chociaż pierwsze produkty już się pojawiają, wciąż istnieją wyzwania. Jedną z kluczowych kwestii jest demonstracja długoterminowej stabilności. Ale badania są obiecujące, a kiedy te zostaną rozwiązane, perowskity halogenkowe mogą naprawdę przyspieszyć transformację naszej produkcji i zużycia energii.Konwersacje

O autorze

Sam Stranks, wykładowca energii i pracownik naukowy Royal Society University, University of Cambridge

Artykuł został opublikowany ponownie Konwersacje na licencji Creative Commons. Przeczytać oryginalny artykuł.

Powiązane książki

Awaria: najbardziej kompleksowy plan, jaki kiedykolwiek zaproponowano, aby odwrócić globalne ocieplenie

autorstwa Paula Hawkena i Toma Steyera
9780143130444W obliczu powszechnego strachu i apatii międzynarodowa koalicja naukowców, profesjonalistów i naukowców połączyła się, aby zaoferować zestaw realistycznych i odważnych rozwiązań w zakresie zmian klimatu. Opisano tutaj sto technik i praktyk - niektóre są dobrze znane; niektóre, o których być może nigdy nie słyszałeś. Obejmują one od czystej energii po edukację dziewcząt w krajach o niższych dochodach po praktyki użytkowania gruntów, które wyciągają węgiel z powietrza. Rozwiązania istnieją, są ekonomicznie opłacalne, a społeczności na całym świecie obecnie wdrażają je z umiejętnościami i determinacją. Dostępne na Amazon

Projektowanie rozwiązań klimatycznych: Przewodnik polityczny dotyczący energii niskoemisyjnej

przez Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
1610919564Ponieważ skutki zmiany klimatu już dotykają nas, potrzeba ograniczenia globalnych emisji gazów cieplarnianych jest pilna. To trudne wyzwanie, ale technologie i strategie pozwalające mu sprostać istnieją już dzisiaj. Niewielki zestaw polityk energetycznych, dobrze zaprojektowanych i wdrożonych, może skierować nas na ścieżkę do przyszłości niskoemisyjnej. Systemy energetyczne są duże i złożone, dlatego polityka energetyczna musi być ukierunkowana i opłacalna. Podejście uniwersalne po prostu nie spełni swojego zadania. Decydenci potrzebują jasnych, kompleksowych zasobów, które nakreślą polityki energetyczne, które będą miały największy wpływ na naszą przyszłość klimatyczną, oraz opisują, jak dobrze zaprojektować te polityki. Dostępne na Amazon

To zmienia wszystko: kapitalizm kontra klimat

autor: Naomi Klein
1451697392In To wszystko zmienia Naomi Klein twierdzi, że zmiany klimatu to nie tylko kolejna kwestia, którą należy starannie uporządkować między podatkami a opieką zdrowotną. Jest to alarm, który wzywa nas do naprawienia systemu gospodarczego, który już pod wieloma względami zawodzi. Klein skrupulatnie opowiada się za tym, jak ogromne zmniejszenie naszej emisji gazów cieplarnianych jest naszą najlepszą szansą na jednoczesne zmniejszenie rozbieżnych nierówności, ponowne wyobrażenie sobie naszych złamanych demokracji i odbudowę wypatroszonych lokalnych gospodarek. Obnaża ideologiczną desperację negacjonistów zmian klimatu, mesjanistyczne złudzenia niedoszłych geoinżynierów oraz tragiczny defetyzm zbyt wielu głównych inicjatyw ekologicznych. I dokładnie pokazuje, dlaczego rynek nie - i nie może - naprawić kryzysu klimatycznego, ale pogorszy sytuację, wprowadzając coraz bardziej ekstremalne i niszczące ekologicznie metody wydobycia, któremu towarzyszy szalony kapitalizm katastroficzny. Dostępne na Amazon

Od wydawcy:
Zakupy na Amazon iść na pokrycie kosztów przynoszą InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, i ClimateImpactNews.com bez kosztów i bez reklamodawców śledzących twoje nawyki przeglądania. Nawet jeśli klikniesz link, ale nie kupisz tych wybranych produktów, wszystko, co kupisz podczas tej samej wizyty w Amazon, płaci nam niewielką prowizję. Nie ponosisz żadnych dodatkowych kosztów, więc proszę przyczynić się do wysiłku. Możesz też skorzystaj z tego linku do korzystania z Amazon w dowolnym momencie, aby pomóc wesprzeć nasze wysiłki.