Pieni pala prototyyppistä aurinkovaippaa. Kalifornian yliopisto, San Diego, CC BY-ND

Aurinkopaneelien energiantuotantopotentiaali ja niiden käytön keskeinen rajoitus on seurausta siitä, mitä he ovat tehneet. Piistä valmistetut paneelit hintojen laskussa ovat sellaiset, että joissakin paikoissa ne voivat tarjota sähköä kustannukset ovat samat kuin fossiilisten polttoaineiden teho kuten kivihiili ja maakaasu. Silikoni-aurinkopaneelit ovat myös massiivisia, jäykkiä ja hauraita, joten niitä ei voi käyttää kaikkialla.

Monissa maailman osissa, joissa ei ole säännöllistä sähköä, aurinkopaneelit voisivat tarjota lukuvalo pimeän jälkeen ja energia pumpata juomavettä, auta pieniä kotitalouksia tai kyläläisiä yrityksiä tai jopa palvella hätäsijoitukset ja pakolaisleirit. Piin aurinkopaneelien mekaaninen hauraus, raskaus ja kuljetusongelmat viittaavat siihen, että pii ei ehkä ole ihanteellinen.

Jatketaan muiden työ, minun tutkimusryhmäni työskentelee kehittää joustavia aurinkopaneeleja, joka olisi yhtä tehokas kuin pii-paneeli, mutta olisi ohut, kevyt ja taipuisa. Tällainen laite, jota kutsumme "aurinkopaneeli, ”Voitaisiin levittää huoneen koolle ja tuottaa sähköä auringosta, ja se voitaisiin korvata greipin kokoiseksi ja täyttää repussa yhtä paljon kuin 1,000-kertoja rikkomatta. Vaikka orgaanisia aurinkokennoja on tehty jonkin verran joustavammaksi yksinkertaisesti tehdä niistä erittäin ohuitatodellinen kestävyys vaatii molekyylirakenteen, joka tekee aurinkopaneeleista joustavan ja kovan.

Piin puolijohteet

Pii on peräisin hiekasta, mikä tekee sen halvalla. Ja sen atomien pakkaus kiinteään materiaaliin tekee siitä hyvän puolijohdon, eli sen johtokyky voidaan kytkeä päälle ja pois sähkökenttien tai valon avulla. Koska se on halpaa ja hyödyllistä, pii on tietokoneiden mikrosirujen ja piirilevyjen perusta, matkapuhelimet ja pohjimmiltaan kaikki muut elektroniikat, jotka lähettävät sähköisiä signaaleja yhdestä komponentista toiseen. Silicon on myös avain useimpiin aurinkopaneeleihin, koska se voi muuntaa valon energian positiiviseksi ja negatiiviseksi lataukseksi. Nämä lataukset kulkevat aurinkokennon vastakkaisille puolille ja niitä voidaan käyttää akun tavoin.

Mutta sen kemialliset ominaisuudet merkitsevät myös sitä, että sitä ei voi muuttaa joustavaksi elektroniikaksi. Silicon ei ime valoa kovin tehokkaasti. Fotonit saattavat kulkea aivan liian ohuella pii-paneelilla, joten niiden on oltava melko paksuja - 100-mikrometrien ympärillä, noin dollarin laskun paksuudesta - niin, että mikään valo ei mene hukkaan.

Seuraavan sukupolven puolijohteet

Mutta tutkijat ovat löytäneet muita puolijohteita, jotka ovat paljon paremmin absorboivat valoa. Yksi materiaaliryhmä, jota kutsutaan nimelläperovskiittien, ”Voidaan käyttää tuottamaan aurinkokennoja lähes yhtä tehokkaita kuin piimetallit, mutta valoa absorboivilla kerroksilla, jotka ovat yhtä tuhannesosaa piin tarvitsema paksuus. Tämän seurauksena tutkijat työskentelevät rakentamisen parissa perovskiitti aurinkokennot, jotka voivat käyttää pieniä miehittämättömiä ilma-aluksia ja muut laitteet, joissa painon vähentäminen on keskeinen tekijä.

- 2000 kemian Nobelin palkinto palkittiin tutkijoille, jotka löysivät ensimmäisen kerran, että he voisivat valmistaa toisenlaisen ultraohut puolijohdekomponentin, jota kutsutaan puolijohtavaksi polymeeriksi. Tällaista materiaalia kutsutaan "orgaaniseksi puolijohteeksi", koska se perustuu hiiliin, ja sitä kutsutaan "polymeeriksi", koska se koostuu pitkistä orgaanisten molekyylien ketjuista. Orgaanisia puolijohteita käytetään jo kaupallisesti, mukaan lukien miljardin dollarin teollisuus of orgaaniset valoa lähettävän diodin näytöt, tunnetaan paremmin OLED-televisioina.

Polymeeripuolijohteet eivät ole yhtä tehokkaita muuttamaan auringonvaloa sähköksi perovskiteiksi tai piiksi, mutta ne ovat paljon enemmän joustava ja mahdollisesti erittäin kestävä. Säännöllisiä polymeerejä - ei puolijohteita - löytyy kaikkialla jokapäiväisessä elämässä; ne ovat molekyylejä, jotka muodostavat kankaan, muovin ja maalin. Polymeeripuolijohteilla on mahdollisuus yhdistää materiaalien, kuten pii, elektroniset ominaisuudet muovin fysikaalisiin ominaisuuksiin.

Molempien maailmojen parhaat puolet: Tehokkuus ja kestävyys

Rakenteesta riippuen muoveilla on laaja valikoima ominaisuuksia, mukaan lukien sekä joustavuus, kuin vaahtomuovilla; ja jäykkyys, kuten joidenkin autojen runkopaneelit. Puolijohtavilla polymeereillä on jäykät molekyylirakenteet, ja monet koostuvat pienistä kiteistä. Nämä ovat avainasemassa niiden elektronisiin ominaisuuksiin, mutta ne tekevät niistä hauraita, mikä ei ole toivottavaa ominaisuutta joko joustaville tai jäykille kohteille.

Ryhmäni työ on keskittynyt luomaan tapoja luoda materiaalit, joilla on sekä hyviä puolijohtavia ominaisuuksia että kestävyys muovit ovat tunnettuja - joko joustavia tai ei. Tämä on avain ajatukseni aurinkokerroksesta tai peitosta, mutta se voi myös johtaa kattoainemateriaaleihin, ulkolattiamateriaaleihin tai jopa tie- tai pysäköintialueiden pintoihin.

Tämä työ on avain auringonvalon voiman hyödyntämiseen - koska loppujen lopuksi maapallolla yksi tunti iskevä auringonvalo sisältää enemmän energiaa kuin kaikki ihmiskunta käyttää vuodessa.

Author

Darren Lipomi, Nanoengineeringin professori, University of California San Diego

Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.

Liittyvät kirjat

at InnerSelf Market ja Amazon