Aurinkopaneelit Walmart-katolla, Mountain View, Kalifornia. Walmart / Flickr, CC BYAurinkopaneelit Walmart-katolla, Mountain View, Kalifornia.
Walmart / Flickr, CC BY

Energian maailmanlaajuinen kysyntä kasvaa tunti, kun kehitysmaat siirtyvät kohti teollistumista. Asiantuntijat arvioivat, että vuoteen 2050 mennessä maailmanlaajuinen sähkön kysyntä voi nousta 30 terawatit (TW). Tarkasteltaessa yksi terawatti on suunnilleen yhtä suuri kuin 1.3 miljardin hevosten teho.

Auringon energia on rajaton - aurinko antaa meille 120,000 TW: n voimaa millä tahansa hetkellä - ja se on ilmainen. Mutta tänään aurinkoenergia tarjoaa vain noin prosentti maailman sähköstä. Kriittinen haaste on, että valokuvien energian muuntaminen käyttökelpoiseksi sähköenergiaksi on halvempaa.

Tätä varten meidän on löydettävä materiaaleja, jotka imevät auringonvaloa ja muuntavat sen sähköksi tehokkaasti. Lisäksi haluamme, että nämä materiaalit ovat runsaasti, ympäristöystävällisiä ja kustannustehokkaita aurinkolaitteisiin.

Tutkijat ympäri maailmaa pyrkivät kehittämään tehokkaita ja edullisia aurinkokennoteknologioita. Tavoitteena on tuoda aurinkosähkön asennuskustannukset alle US $ 1 per watt noin $ 3 per watt tänään.


sisäinen tilausgrafiikka


Binghamtonin yliopistossa Autonomisen aurinkovoiman keskus (CASP), tutkimme tapoja tehdä ohutkalvoista aurinkokennoja käyttämällä materiaaleja, jotka ovat luonteeltaan runsaasti ja myrkyttömiä. Haluamme kehittää aurinkokennoja, jotka ovat luotettavia, erittäin tehokkaita auringonvalon muuntamiseksi sähköksi ja edulliseksi valmistaa. Olemme tunnistaneet kaksi materiaalia, joilla on suurta potentiaalia aurinkokeräiminä: pyriitti, joka tunnetaan paremmin kuin tyhmän kulta metallisen kiiltonsa vuoksi; ja kupari-sinkki-tina-sulfidi (CZTS).

Etsimme ihanteellista materiaalia

Nykyiset kaupalliset aurinkokennot on valmistettu yhdestä kolmesta materiaalista: pii, kadmiumtelluridi (CdTe) ja kupari-indium-gallium-selenidi (CIGS). Jokaisella on vahvuudet ja heikkoudet.

Piin aurinkokennot ovat erittäin tehokkaita, ja ne muuttavat jopa 25-prosenttiin niiden auringonvalosta, joka heittää sähköä, ja erittäin kestävä. Silikonin käsitteleminen kiekkoiksi on kuitenkin erittäin kallista. Ja näiden kiekkojen on oltava erittäin paksuisia (noin 0.3-millimetrejä, jotka ovat paksuja aurinkokennoille), jotta ne absorboivat kaikki niihin kohdistuvat auringonvalot, mikä lisää kustannuksia.

Silikoni-aurinkokennoja, joita usein kutsutaan ensimmäisen sukupolven aurinkokennoiksi, käytetään paneeleissa, jotka ovat tulleet tutuiksi kohteiksi katoilla. Keskuksemme tutkii toisenlaista ohutkalvon aurinkokennoa, joka on seuraavan sukupolven aurinkotekniikka. Kuten niiden nimestä käy ilmi, ohutkalvoiset aurinkokennot valmistetaan asettamalla ohut kerros aurinkoa absorboivaa materiaalia substraatin, kuten lasin tai muovin, päälle, joka tyypillisesti voi olla joustava.

Nämä aurinkokennot käyttävät vähemmän materiaalia, joten ne ovat halvempia kuin silikonista valmistetut kiteiset aurinkokennot. Ei ole mahdollista päällystää kiteistä piitä joustavalle alustalle, joten tarvitsemme erilaisen materiaalin aurinkokeräimeksi.

Vaikka ohutkalvon aurinkotekniikka paranee nopeasti, osa tämän päivän ohuiden kalvojen aurinkokennojen materiaaleista on niukkaa tai vaarallista. Esimerkiksi CdTe: n kadmium on erittäin myrkyllistä kaikille eläville aineille, ja sen tiedetään aiheuttavan syöpää ihmisissä. CdTe voi erottua kadmiumiin ja telluuriin korkeissa lämpötiloissa (esimerkiksi laboratoriossa tai kodin tulessa), mikä aiheuttaa vakavan hengitysriskin.

Työskentelemme pyriitin ja CZTS: n kanssa, koska ne ovat myrkyttömiä ja erittäin edullisia. CZTS maksaa noin 0.005 senttiä wattia kohden ja pyriittikustannukset pelkkä 0.000002 senttiä wattia kohden. Ne ovat myös maankuoren runsaimpia materiaaleja ja absorboivat tehokkaasti auringonvalon näkyvän spektrin. Nämä kalvot voivat olla yhtä ohuita kuin millimetrin 1 / 1000th.

CZTS-aurinkokennojen testaaminen simuloidussa auringonvalossa. Tara Dhakal / Binghamtonin yliopisto, kirjoittaja CZTS-aurinkokennojen testaaminen simuloidussa auringonvalossa.
Tara Dhakal / Binghamtonin yliopisto, kirjoittaja
Meidän on kiteytettävä nämä materiaalit ennen kuin voimme valmistaa ne aurinkokennoihin. Tämä tapahtuu lämmittämällä niitä. CZTS kiteytyy lämpötiloissa, jotka ovat 600-asteissa Celsius-asteessa, verrattuna piin 1,200-asteisiin tai korkeampiin, mikä tekee siitä halvemmaksi. Se toimii paljon kuin korkean hyötysuhteen kupari-indiumgallium-selenidi (CIGS) aurinkokennot, jotka ovat kaupallisesti saatavilla nyt, mutta korvaa näiden solujen indiumin ja galliumin halvemmalla ja runsaammin sinkillä ja tinalla.

Tähän mennessä CZTS-aurinkokennot ovat kuitenkin suhteellisen tehottomia: ne muuntavat vähemmän kuin 13 prosenttia aurinkoenergiaa, joka heittää sähköä, verrattuna kalliimpien CIGS-aurinkokennojen 20-prosenttiin.

Tiedämme, että CZTS-aurinkokennojen potentiaali voi olla 30-prosenttiosuus. Tärkeimmät haasteet ovat 1), joka syntetisoi korkealaatuisia CZTS-ohutkalvoja ilman epäpuhtauksien jälkiä, ja 2) löytää sopivan materiaalin sen alla olevalle "puskurikerrokselle", joka auttaa keräämään sähkövarauksia, jotka auringonvalo synnyttävät absorberikerrokseen. Meidän laboratorio on tuottanut CZTS-ohutkalvon seitsemän prosentin hyötysuhde; toivomme lähestyvän 15-prosentin tehokkuutta pian syntetisoimalla laadukkaita CZTS-kerroksia ja löytämään sopivia puskurikerroksia.

CZTS-aurinkokennon rakenne. Tara Dhakal / Binghamtonin yliopisto, kirjoittajaCZTS-aurinkokennon rakenne.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Tekijä
Pyriitti on toinen mahdollinen absorboija, jota voidaan syntetisoida hyvin alhaisissa lämpötiloissa. Meidän laboratoriossamme on syntetisoitu pyrite-ohuita kalvoja, ja nyt pyrimme kerrostamaan nämä kalvot aurinkokennoihin. Tämä prosessi on haastava, koska pyriitti hajoaa helposti, kun se altistuu lämmölle ja kosteudelle. Tutkimme tapoja tehdä se vakaammaksi vaikuttamatta sen aurinkokykyyn ja mekaanisiin ominaisuuksiin. Jos voimme ratkaista tämän ongelman, ”typerän kulta” voisi muuttua älykäs aurinkosähkölaite.

Tuoreessa tutkimuksessa Stanfordin yliopiston ja Kalifornian yliopiston tutkijat arvioivat, että aurinkoenergia voisi tarjota jopa 45-prosenttiin Yhdysvaltain sähköä 2050. Tämän tavoitteen saavuttamiseksi meidän on jatkettava aurinkovoiman kustannusten laskemista ja löydettävä keinoja tehdä aurinkokennoja kestävämmin. Uskomme, että runsaat, myrkyttömät materiaalit ovat avain aurinkoenergian potentiaalin toteutumiseen.

Author

dakak taraTara P. Dhakal, Binghamtonin yliopiston sähkö- ja tietotekniikan professori, New Yorkin valtionyliopisto. Hänen kiinnostuksensa tutkimukseen on uusiutuvaa energiaa, erityisesti aurinkoenergiaa. Hänen tutkimuksensa tavoitteena on saavuttaa aurinkokennoteknologia, joka on ympäristöystävällinen ja taloudellisesti edullinen.

Tämä artikkeli julkaistiin alunperin Conversation. Lue alkuperäinen artikkeli.

Liittyvät kirjat

at InnerSelf Market ja Amazon