Hur vi kan få ännu mer energi från solen

Solpaneler på ett Walmart tak, Mountain View, Kalifornien. Walmart / Flickr, CC BYSolpaneler på ett Walmart tak, Mountain View, Kalifornien.
Walmart / Flickr, CC BY

Den globala efterfrågan på energi ökar per timme som utvecklingsländer går mot industrialisering. Experter uppskattar att vid år 2050 kan världens efterfrågan på el uppnå 30 terawatts (TW). I perspektiv är en terawatt ungefär lika med kraften i 1.3-miljarder hästar.

Solens energi är obegränsad - solen ger oss 120,000 TW kraft vid vilken tidpunkt som helst - och det är gratis. Men idag levererar solenergi bara ungefär en procent av världens el. Den kritiska utmaningen gör det billigare att konvertera fotoenergi till användbar elektrisk energi.

För att göra det måste vi hitta material som absorberar solljus och omvandlar det till el effektivt. Dessutom vill vi att dessa material ska vara rikliga, miljövänliga och kostnadseffektiva att tillverka i solenheter.

Forskare från hela världen arbetar för att utveckla solcellsteknologier som är effektiva och prisvärda. Målet är att få installationskostnaden för solenergi under US $ 1 per watt, jämfört med ungefär $ 3 per watt idag.

På Binghamton University Centrum för autonom solenergi (CASP), vi undersöker sätt att göra tunnfilm solceller med material som är rikliga i naturen och icke-toxisk. Vi vill utveckla solceller som är pålitliga, mycket effektiva när det gäller att omvandla solljus till el och vara billigt att tillverka. Vi har identifierat två material som har stor potential som solabsorbenter: pyrit, mer känd som dårens guld på grund av metallisk glans. och koppar-zink-tenn-sulfid (CZTS).

Söker det idealiska materialet

Dagens kommersiella solceller är gjorda av ett av tre material: kisel, kadmiumtellurid (CdTe) och koppar-indium-gallium-selenid (CIGS). Var och en har styrkor och svagheter.

Silikon solceller är mycket effektiva, omvandlar upp till 25 procent av solljuset som faller på dem till el, och mycket hållbart. Det är emellertid väldigt dyrt att bearbeta kisel i skivor. Och dessa skivor måste vara mycket tjocka (ca 0.3 millimeter, som är tjocka för solceller) för att absorbera allt solljus som faller på dem, vilket ytterligare ökar kostnaderna.

Silikon solceller - ofta kallad första generationens solceller - används i paneler som har blivit bekanta med hustak. Vårt centrum studerar en annan typ som kallas tunnfilmsolceller, som är nästa generations solteknologi. Som namnet antyder tillverkas tunnfilms solceller genom att sätta ett tunt lager av solabsorberande material över ett substrat, såsom glas eller plast, som typiskt kan vara flexibel.

Dessa solceller använder mindre material, så de är billigare än kristallina solceller gjorda av kisel. Det är inte möjligt att belägga kristallint kisel på ett flexibelt substrat, så vi behöver ett annat material att använda som solabsorbent.

Även om tunnfilmsolteknik förbättras snabbt, är vissa av materialen i dagens tunnfilm solceller knappa eller farliga. Kadmium i CdTe är till exempel högt giftigt för alla levande saker och är känt för att orsaka cancer hos människor. CdTe kan separeras i kadmium och tellurium vid höga temperaturer (till exempel i ett laboratorium eller husbränsle), vilket innebär en allvarlig inandningsrisk.

Vi jobbar med pyrit och CZTS eftersom de är nontoxa och mycket billiga. CZTS kostar omkring 0.005 cent per watt och pyritkostnader bara 0.000002 cent per watt. De är också bland de mest rikliga materialen i jordskorpan och absorberar det synliga spektrumet av solljus effektivt. Dessa filmer kan vara så tunna som 1 / 1000th av en millimeter.

Testa CZTS-solceller under simulerat solljus. Tara Dhakal / Binghamton University, författare tillhandahållen Testa CZTS-solceller under simulerat solljus.
Tara Dhakal / Binghamton University, författare tillhandahållen
Vi måste kristallisera dessa material innan vi kan tillverka dem i solceller. Detta görs genom att värma dem. CZTS kristalliserar vid temperaturer under 600 grad Celsius, jämfört med 1,200 grader Celsius eller högre för kisel, vilket gör det billigare att bearbeta. Det fungerar mycket som högeffektiva kopparindium gallium selenid (CIGS) solceller, som är kommersiellt tillgängliga nu, men ersätter indium och gallium i dessa celler med billigare och rikare zink och tenn.

Hittills är CZTS-solceller relativt ineffektiva: de konverterar mindre än 13 procent av solljuset som faller på dem till el, jämfört med 20-procent för dyrare CIGS-solceller.

Vi vet att CZTS-solceller har potential att vara 30-procent effektiva. De viktigaste utmaningarna är 1), som syntetiserar CZTS-tunnfilm av hög kvalitet utan spår av föroreningar, och 2) att hitta ett lämpligt material för "buffertlagret" under det, vilket hjälper till att samla de elektriska laddningar som solljus skapar i absorberskiktet. Vårt lab har producerat en CZTS-tunnfilm med sju procent effektivitet; Vi hoppas att vi snart kommer att närma oss 15-procentuell effektivitet genom att syntetisera CZTS-lager av hög kvalitet och hitta lämpliga buffertlager.

Strukturen av en CZTS solcell. Tara Dhakal / Binghamton University, författare tillhandahållenStrukturen av en CZTS solcell.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Författare tillhandahållen
Pyrit är en annan potentiell absorberare som kan syntetiseras vid mycket låga temperaturer. Vårt lab har syntetiserat pyrit-tunna filmer, och nu arbetar vi med att lagra dessa filmer i solceller. Denna process är utmanande eftersom pyrit bryts ner lätt när den utsätts för värme och fukt. Vi undersöker sätt att göra det mer stabilt utan att det påverkar dess solabsorptionsförmåga och mekaniska egenskaper. Om vi ​​kan lösa detta problem kan "dårens guld" bli en smart fotovoltaisk enhet.

I en ny studie studerade forskare vid Stanford University och University of California i Berkeley som solenergi kunde ge upp till 45 procent av amerikansk el av 2050. För att möta det målet måste vi fortsätta köra ner kostnaden för solenergi och hitta sätt att göra solcellerna mer hållbara. Vi tror att rikliga, icke-toxiska material är nyckeln till att realisera solenergipotentialen.

Om författaren

dhakal taraTara P. Dhakal, biträdande professor i elektroteknik och datateknik, Binghamton University, State University of New York. Hans forskningsintresse är förnybar energi, i synnerhet solenergi. Hans forskningsmål är att uppnå solcellsteknik som är miljövänlig och ekonomiskt överkomlig.

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

relaterade böcker

{amazonWS: searchindex = Böcker; nyckelord = solkraft; maxresultat = 3}

enafarzh-CNzh-TWnltlfifrdehiiditjakomsnofaptruessvtrvi

följ InnerSelf på

facebook-icontwitter-iconrss-icon

Få det senaste via e-post

{Emailcloak = off}