Солнечная энергия: как дизайн «солнечного брезента» может использовать энергию солнца

Энергетический потенциал солнечных панелей - и ключевое ограничение их использования - является результатом того, из чего они сделаны. Панели из кремния снижаются в цене, так что в некоторых местах они могут обеспечивать электроэнергию, которая стоит примерно столько же, сколько энергия от ископаемого топлива, такого как уголь и природный газ. Но кремниевые солнечные панели также громоздкие, жесткие и хрупкие, поэтому их нельзя использовать где угодно.

Во многих частях мира, где нет регулярного электричества, солнечные панели могут обеспечивать свет для чтения после наступления темноты и энергию для перекачивания питьевой воды, для питания небольших домашних хозяйств или предприятий, расположенных в деревнях, или даже для обслуживания аварийных убежищ и лагерей беженцев. Но механическая хрупкость, тяжесть и трудности при транспортировке кремниевых солнечных панелей позволяют предположить, что кремний не может быть идеальным.

Опираясь на чужую работу, моя исследовательская группа работает над созданием гибких солнечных панелей, которые были бы такими же эффективными, как кремниевые панели, но были бы тонкими, легкими и гибкими. Такого рода устройство, которое мы называем «солнечным брезентом», может быть разложено по размеру комнаты и генерировать электричество от солнца, а его можно сложить в размер размером с грейпфрут и положить в рюкзак как 1000 раз без поломок. В то время как были предприняты некоторые усилия, чтобы сделать органические солнечные элементы более гибкими, просто делая их ультратонкими, для реальной прочности требуется молекулярная структура, которая делает солнечные панели растяжимыми и прочными.

Кремниевые полупроводники

Кремний получают из песка, что делает его дешевым. А то, как его атомы упаковываются в твердый материал, делает его хорошим полупроводником, а это означает, что его проводимость можно включать и выключать с помощью электрических полей или света. Поскольку он дешев и полезен, кремний является основой для микросхем и печатных плат в компьютерах, мобильных телефонах и, в основном, во всей другой электронике, передающей электрические сигналы от одного компонента к другому. Кремний также является ключом к большинству солнечных панелей, потому что он может преобразовывать энергию света в положительные и отрицательные заряды. Эти заряды текут к противоположным сторонам солнечного элемента и могут быть использованы как батареи.

Но его химические свойства также означают, что его нельзя превратить в гибкую электронику. Кремний не очень эффективно поглощает свет. Фотоны могут проходить сквозь слишком тонкую кремниевую панель, поэтому они должны быть достаточно толстыми - около 100 микрометров, примерно толщиной с долларовую купюру - чтобы ни один из источников света не пропадал.

Полупроводники следующего поколения

Но исследователи нашли другие полупроводники, которые намного лучше поглощают свет. Одна группа материалов, называемая «перовскиты», может быть использована для изготовления солнечных элементов, которые почти так же эффективны, как кремниевые, но с поглощающими свет слоями, которые в одну тысячную толщины необходимы кремнию. В результате исследователи работают над созданием перовскитных солнечных элементов, которые могут питать небольшие беспилотные летательные аппараты и другие устройства, где снижение веса является ключевым фактором.

Нобелевская премия по химии 2000 года была присуждена исследователям, впервые обнаружившим, что они могут создать ультратонкий полупроводник другого типа, называемый полупроводниковым полимером. Этот тип материала называют «органическим полупроводником», потому что он основан на углероде, и его называют «полимером», потому что он состоит из длинных цепочек органических молекул. Органические полупроводники уже используются в коммерческих целях, в том числе в индустрии органических светодиодных дисплеев стоимостью более миллиарда долларов, более известной как OLED-телевизоры.

Полимерные полупроводники не так эффективны для преобразования солнечного света в электричество, как перовскиты или кремний, но они гораздо более гибкие и потенциально чрезвычайно долговечные. Обычные полимеры, а не полупроводниковые, встречаются повсеместно в повседневной жизни. Это молекулы, из которых состоит ткань, пластик и краска. Полимерные полупроводники обладают потенциалом сочетать электронные свойства материалов, таких как кремний, с физическими свойствами пластика.

Лучшее в обоих мирах: эффективность и долговечность

В зависимости от структуры пластмассы обладают широким спектром свойств, включая гибкость, как у брезента; и жесткость, как панели кузова некоторых автомобилей. Полупроводниковые полимеры имеют жесткие молекулярные структуры, и многие из них состоят из крошечных кристаллов. Они имеют ключевое значение для их электронных свойств, но, как правило, делают их ломкими, что нежелательно для гибких или жестких предметов.

Работа моей группы была сосредоточена на определении способов создания материалов, обладающих как хорошими полупроводниковыми свойствами, так и долговечными пластмассами, известными как гибкими, так и нет. Это будет ключом к моей идее о солнечном брезенте или одеяле, но также может привести к кровельным материалам, напольной плитке для пола или, возможно, даже к поверхности дорог или парковок.

Эта работа будет ключом к использованию силы солнечного света, потому что, в конце концов, солнечный свет, который падает на Землю за один час, содержит больше энергии, чем все человечество использует в год.

Эта статья была первоначально опубликована в «Беседе» Даррена Липоми. Прочитайте оригинальную статью здесь.