Nuvarande solteknik är inte tillräckligt bra. Antonio Garcia om Unsplash, FAL

Efterfrågan på billigare, grönare el innebär att energilandskapet förändras snabbare än någon annan tidpunkt i historien. Detta gäller särskilt soldriven el och batterilagring. Kostnaden för båda har sjunkit i enastående takt under det senaste decenniet och energieffektiva tekniker som LED-belysning har också expanderat.

Tillgång till billig och allestädes närvarande solenergi och lagring kommer att förändra vårt sätt att producera och använda kraft, vilket möjliggör elektrifiering av transportsektorn. Det finns potential för nya kemibaserade ekonomier där vi lagra förnybar energi som bränsleoch stödja nya enheter som utgör en ”sakernas Internet".

Men vår nuvarande energiteknik leder oss inte till den här framtiden: vi kommer snart att nå effektivitets- och kostnadsgränser. De potential för framtida minskningar i kostnaden för el från kiselsol är till exempel begränsad. Tillverkningen av varje panel kräver en hel del energi och fabriker är dyra att bygga. Och även om produktionskostnaderna kan pressas lite längre, är kostnaderna för en solinstallation nu domineras av statisten - installation, ledningar, elektronik och så vidare.

Detta innebär att det inte är troligt att nuvarande solenergisystem uppfyller den erforderliga delen av våra 30 TeraWatt (TW) globala energibehov (de producerar mindre än 1 TW idag) snabb nog för att ta itu med frågor som klimatförändringar.

På samma sätt är vår nuvarande LED-belysning och displayteknik för dyr och inte av tillräckligt bra färgkvalitet för att realistiskt ersätta traditionell belysning på en tillräckligt kort tidsram. Detta är ett problem eftersom belysning för närvarande står för 5% av världens koldioxidutsläpp. Ny teknik behövs för att fylla detta gap, och snabbt.

Halide perovskiter

Vårt laboratorium i Cambridge, England, arbetar med en lovande ny familj av material som kallas halogenidperovskiter. De är halvledare som leder laddningar när de stimuleras med ljus. Perovskitbläck deponeras på glas eller plast för att göra extremt tunna filmer - ungefär en hundradel av bredden på ett mänskligt hår - som består av metall, halogenid och organiska joner. När dessa filmer är klämda mellan elektrodkontakterna gör de solceller eller LED-enheter.

Otroligt nog kan ljusfärgen de absorberar eller avger ändras helt enkelt genom att justera deras kemiska struktur. Genom att ändra hur vi odlar dem kan vi skräddarsy dem för att vara mer lämpade för att absorbera ljus (för en solpanel) eller avge ljus (för en LED). Detta gör att vi kan skapa solceller och lysdioder i olika färger som avger ljus från ultraviolett, ända fram till det synliga och nästan infraröda.

Trots sin billiga och mångsidiga bearbetning har dessa material visat sig vara anmärkningsvärt effektiva både solceller och ljusstrålar. Perovskite solceller träffade 25.2% effektivitet 2019, hett på hälarna av kristallina kiselceller vid 26.7%, och perovskite-lysdioder är redan närmar sig hyllor för organiska ljusemitterande dioder (OLED).

Dessa tekniker är snabbt kommersialiseras, särskilt på solcellsfronten. UK-baserade Oxford Photovoltaics har byggde en produktionslinje och fyller sina första inköpsorder i början 2021. Det polska företaget Saule Technologies släppte prototypprodukter i slutet av 2018, inklusive en perovskite solfasadpilot. Den kinesiska tillverkaren Microquanta Semiconductor räknar med att producera mer än 200,000 kvadratmeter paneler i produktionslinjen före årsskiftet. Det USA-baserade Swift Solar (ett företag som jag grundade) är banbrytande högpresterande celler med lätta, flexibla egenskaper.

Färgade perovskite ljusavgivande bläck som kan kastas ner i tunna filmer. © Sandeep Pathak, författaren förutsatt

Mellan dessa och andra företag, det görs snabba framsteg.

Solfönster och flexibla paneler

Till skillnad från konventionella kiselceller, som behöver vara mycket enhetliga för hög effektivitet, består perovskitfilmer av mosaik "korn" av mycket varierande storlek (från nano-meter till millimeter) och kemi - och ändå fungerar de nästan lika bra som de bästa kiselcellerna idag. Vad mer är, små fläckar eller defekter i perovskitfilmer leder inte till betydande strömförluster. Sådana defekter skulle vara katastrofala för en kiselpanel eller en kommersiell lysdiod.

Även om vi fortfarande försöker förstå detta tvingar dessa material samhället att skriva om läroboken för vad vi anser vara en idealisk halvledare: de kan ha mycket bra optiska och elektroniska egenskaper trots - eller kanske till och med på grund av - oordning.

Vi kan hypotetiskt använda dessa material för att göra "designer" -färgade solceller som smälter in i byggnader eller hus, eller solfönster som ser ut som tonat glas men ändå genererar kraft.

Men det verkliga tillfället är att utveckla högeffektiva celler utöver kiselcellernas effektivitet. Till exempel kan vi lägga ihop två olika färgade perovskitfilmer i en "Tandem" solcell. Varje lager skulle skörda olika regioner i solspektrumet, vilket skulle öka cellens totala effektivitet.

Ett annat exempel är vad Oxford PV är banbrytande: att lägga till ett perovskitlager ovanpå en standardkiselcell, vilket ökar effektiviteten i den befintliga tekniken utan betydande extra kostnad. Dessa tillvägagångssätt för lagring av tandem kan snabbt skapa en öka effektiviteten av solpaneler som överstiger 30%, vilket skulle minska både panel- och systemkostnaderna och samtidigt minska deras energifotavtryck.

Dessa perovskitskikt utvecklas också för att tillverka flexibla solpaneler som kan bearbetas för att rulla vidare som tidningspapper minska kostnaderna. Lätt, kraftfull sol öppnar också möjligheter för att driva elfordon och kommunikationssatelliter.

Flexibel perovskite prototyp solcell. Plamen Petkov för Scientific American

För lysdioder kan perovskites uppnå fantastiska färgkvalitet vilket kan leda till avancerade flexibla displaytekniker. Perovskites kan också ge billigare, högre kvalitet vit belysning än dagens kommersiella lysdioder, med ”en färgtemperatur” på en jordglob som kan tillverkas för att ge svalt eller varmt vitt ljus eller någon önskad nyans däremellan. De skapar också spänning som byggstenar för framtida kvantdatorer, såväl som Röntgendetektorer för extremt låg dos medicinsk och säkerhetsavbildning.

Även om de första produkterna redan dyker upp, finns det fortfarande utmaningar. En viktig fråga är att demonstrera långsiktig stabilitet. Men forskningen är lovande, och när dessa har lösts kan halogenidperovskiter verkligen driva omvandlingen av vår energiproduktion och konsumtion.

Om författaren

Sam Stranks, lektor i energi- och Royal Society University Research Fellow, University of Cambridge

Denna artikel publiceras från Avlyssningen under en Creative Commons licens. Läs ursprungliga artikeln.

relaterade böcker

Drawdown: Den mest omfattande planen som någonsin föreslagits för att omvända global uppvärmning

av Paul Hawken och Tom Steyer
Mot bakgrund av utbredd rädsla och apati har en internationell koalition av forskare, yrkesverksamma och forskare kommit ihop för att erbjuda en rad realistiska och djärva lösningar på klimatförändringen. Ett hundra tekniker och metoder beskrivs här-några är välkända; något du kanske aldrig har hört talas om. De sträcker sig från ren energi för att utbilda flickor i låginkomstländer till markanvändningspraxis som drar kol ut ur luften. Lösningarna finns, är ekonomiskt lönsamma och samhällen runt om i världen håller för närvarande på att anta dem med skicklighet och beslutsamhet. Finns på Amazon

Utformning av klimatlösningar: En policyhandbok för lågkol Energi

av Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Med effekterna av klimatförändringar redan på oss är behovet av att minska de globala utsläppen av växthusgaser inget mindre än brådskande. Det är en skrämmande utmaning, men teknologierna och strategierna för att möta den finns idag. En liten uppsättning energipolicyer, utformade och genomförda väl, kan sätta oss på vägen till en koldioxidsnål framtid. Energisystem är stora och komplexa, så energipolitiken måste vara fokuserad och kostnadseffektiv. One-size-fits-all-tillvägagångssätt gör helt enkelt inte jobbet gjort. Politiska beslutsfattare behöver en tydlig och omfattande resurs som beskriver energipolitiken som kommer att ha störst inverkan på vår klimatframtid och beskriver hur man utformar dessa policyer väl. Finns på Amazon

Detta förändrar allt: Kapitalism vs. Klimat

av Naomi Klein
In Detta förändrar allt Naomi Klein hävdar att klimatförändringen inte bara är en annan fråga som ska lämnas snyggt mellan skatter och hälsovård. Det är ett larm som kräver att vi fixar ett ekonomiskt system som redan misslyckas på många sätt. Klein bygger noggrant fallet för hur massivt att minska våra utsläpp av växthusgaser är vår bästa chans att samtidigt minska ojämlikheterna i olikheterna, återinföra våra brutna demokratier och bygga om våra slagna lokala ekonomier. Hon avslöjar den ideologiska desperationen av klimatförändringsförnekarna, de geoengineers messianiska vansinne och den tragiska defeatismen av alltför många vanliga gröna initiativ. Och hon visar exakt varför marknaden inte har och kan inte fixa klimatkrisen, men kommer istället att göra saker värre, med alltmer extrema och ekologiskt skadliga utvinningsmetoder, tillsammans med katastrofal katastrofkapitalism. Finns på Amazon

Från Utgivaren:
Inköp på Amazon går för att täcka kostnaden för att få dig InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, och ClimateImpactNews.com utan kostnad och utan annonsörer som spåra dina surfvanor. Även om du klickar på en länk men inte köper dessa valda produkter, betalar allt annat du köper i samma besök på Amazon oss en liten provision. Det finns ingen extra kostnad för dig, så var vänlig bidra till insatsen. Du kan också använd denna länk att använda till Amazon när som helst så att du kan hjälpa till att stödja våra ansträngningar.