En liten bit av en prototyp soltack. University of California, San Diego, CC BY-ND

Den energiproducerande potentialen i solpaneler - och en nyckelbegränsning för användningen - är ett resultat av vad de är gjorda av. Paneler av kisel faller i pris så att de på vissa ställen kan ge el som kostar ungefär samma som kraften från fossila bränslen som kol och naturgas. Men kisel solpaneler är också skrymmande, styva och spröda, så de kan inte användas var som helst.

I många delar av världen som inte har regelbunden el kan solpaneler ge läser ljus efter mörker och energi till pump dricksvatten, hjälpa kraft små hushåll eller by-baserade företag eller ens tjäna akuthem och flyktingläger. Men de mekaniska sårbarhet, tyngd och transportsvårigheter hos kisel solpaneler tyder på att kisel kanske inte är idealisk.

Bygga på andras arbete, min forskningsgrupp arbetar till utveckla flexibla solpaneler, vilket skulle vara lika effektivt som en silikonpanel, men skulle vara tunn, lätt och böjbar. Denna typ av enhet, som vi kallar en "soltapp, "Kan spridas ut i storleken på ett rum och generera el från solen, och det kan bli böjd upp för att vara storleken på en grapefrukt och fylld i en ryggsäck så många som 1,000 gånger utan att bryta. Även om det har gjorts en del ansträngningar för att göra organiska solceller mer flexibla helt enkelt genom vilket gör dem extremt tunna, verklig hållbarhet kräver en molekylär struktur som gör solpanelerna töjbara och tuffa.

Kiselhalvledare

Silikon är härledd från sand, vilket gör det billigt. Och det sätt som dess atomer packar i ett fast material gör det till en bra halvledare, vilket betyder att dess konduktivitet kan slås på och av med elektriska fält eller ljus. Eftersom det är billigt och användbart, kisel utgör grunden för mikrochips och kretskort i datorer, mobiltelefoner och i princip all annan elektronik, som sänder elektriska signaler från en komponent till en annan. Silikon är också nyckeln till de flesta solpaneler, eftersom det kan omvandla energin från ljus till positiva och negativa laddningar. Dessa avgifter strömmar till motsatta sidor av en solcell och kan användas som ett batteri.

Men dess kemiska egenskaper betyder också att den inte kan omvandlas till flexibel elektronik. Silikon absorberar inte ljuset mycket effektivt. Foton kan passera direkt genom en silikonpanel som är för tunn, så de måste vara ganska tjocka - runt 100 mikrometer, om tjockleken på en dollarräkning - så att inget av ljuset slösas.

Nästa generations halvledare

Men forskare har hittat andra halvledare som är mycket bättre att absorbera ljus. En grupp av material, kallad "perovskiter, "Kan användas för att göra solceller som är nästan lika effektiv som kisel, men med ljusabsorberande skikt som är en tusenedel tjockleken behövs med kisel. Som ett resultat arbetar forskare med att bygga perovskite solceller som kan driva små obemannade flygplan och andra enheter där viktminskning är en nyckelfaktor.

Smakämnen 2000 Nobelpriset i kemi tilldelades forskare som först fann att de kunde göra en annan typ av ultra-tunn halvledare, kallad en halvledande polymer. Denna typ av material kallas en "organisk halvledare" eftersom den är baserad på kol och det kallas en "polymer" eftersom den består av långa kedjor av organiska molekyler. Organiska halvledare används redan kommersiellt, inklusive i miljarder dollar industrin of organiska ljusdioder, bättre känd som OLED-tv.

Polymerhalvledare är inte lika effektiva vid omvandling av solljus till el som perovskiter eller kisel, men de är mycket mer flexibelt och potentiellt utomordentligt hållbart. Regelbundna polymerer - inte de halvledande - finns överallt i det dagliga livet; de är de molekyler som utgör tyg, plast och färg. Polymerhalvledare har potential att kombinera de elektroniska egenskaperna hos material som kisel med plastens fysikaliska egenskaper.

Det bästa av båda världarna: Effektivitet och hållbarhet

Beroende på deras struktur har plast ett brett utbud av egenskaper - inklusive både flexibilitet, som med en tarp; och styvhet, som kroppspanelerna hos vissa bilar. Halvledande polymerer har styva molekylära strukturer, och många består av små kristaller. Dessa är nyckeln till deras elektroniska egenskaper men tenderar att göra dem sköra, vilket inte är en önskvärd egenskap för antingen flexibla eller styva föremål.

Min grupps arbete har varit inriktat på att identifiera sätt att skapa material med både goda halvledande egenskaper och hållbarhet Plast är känt för - oavsett om det är flexibelt eller inte. Detta kommer att vara nyckeln till min uppfattning om en soltapp eller filt, men kan också leda till takmaterial, golvplattor utomhus eller kanske till och med ytor på vägar eller parkeringsplatser.

Detta arbete kommer att vara nyckeln till att utnyttja solstrålkastaren - för att solljuset som slår till jorden på en enda timme innehåller mer energi än hela mänskligheten använder på ett år.

Om författaren

Darren Lipomi, professor i nanoengineering, University of California San Diego

Den här artikeln publicerades ursprungligen den Avlyssningen. Läs ursprungliga artikeln.

relaterade böcker

at InnerSelf Market och Amazon