Невеликий шматок прототипу сонячної брезенту. Університет Каліфорнії, Сан-Дієго, CC BY-ND

Енергетичний потенціал сонячних панелей - і ключове обмеження їх використання - це результат того, з чого вони зроблені. Панелі, виготовлені з кремнію, знижуються в ціні, так що в деяких місцях вони можуть забезпечити це електроенергією коштує приблизно стільки ж, скільки електроенергія з викопного палива як вугілля та природний газ. Але кремнієві сонячні панелі також об'ємні, жорсткі і крихкі, тому їх не можна використовувати будь -де.

У багатьох частинах світу, у яких немає регулярної електроенергії, сонячні панелі можуть забезпечити читання світла після настання темряви та енергії для насос питної води, допомогти живлення малого домашнього господарства або сільського бізнесу або навіть подавати аварійні притулки та табори для біженців. Але механічна крихкість, важкість та труднощі транспортування кремнієвих сонячних панелей свідчать про те, що кремній може бути не ідеальним.

Вбудовуючись чужі роботи, моя дослідницька група працює, щоб розробити гнучкі сонячні батареї, який був би таким же ефективним, як силіконова панель, але був би тонким, легким і гнучким. Цей тип пристрою, який ми називаємосонячний брезент, ”Можна було б розподілити до розміру кімнати і виробляти електроенергію від сонця, а її можна було збити в розмір, як грейпфрут, і набити в рюкзак цілих 1,000 разів, не зламавшись. Хоча було докладено певних зусиль, щоб зробити органічні сонячні елементи більш гнучкими просто роблячи їх надтонкими, справжня довговічність вимагає молекулярної структури, яка робить сонячні панелі розтяжними та жорсткими.

Кремнієві напівпровідники

Кремній отримують з піску, що робить його дешевим. А те, як його атоми упаковуються у твердий матеріал, робить його хорошим напівпровідником, тобто його провідність можна вмикати та вимикати за допомогою електричних полів або світла. Оскільки це дешево та корисно, кремній є основою для мікросхем і плат в комп'ютерах, мобільні телефони і в основному вся інша електроніка, передаючи електричні сигнали від одного компонента до іншого. Кремній також є ключем до більшості сонячних панелей, оскільки він може перетворювати енергію світла в позитивні та негативні заряди. Ці заряди надходять до протилежних сторін сонячної батареї і можуть використовуватися як батарея.

Але його хімічні властивості також означають, що його не можна перетворити на гнучку електроніку. Кремній не дуже ефективно поглинає світло. Фотони можуть проходити прямо через кремнієву панель, яка є занадто тонкою, тому вони повинні бути досить товстими - близько 100 мікрометрів, про товщину доларової купюри - щоб жодне світло не згасало.

Напівпровідники наступного покоління

Але дослідники знайшли інші напівпровідники, які набагато краще поглинають світло. Одна група матеріалів під назвою «перовскіти, ”Можна використовувати для виготовлення таких сонячних батарей майже так само ефективні, як кремній, але зі світлопоглинаючими шарами, що мають одну тисячу товщини, необхідної для кремнію. В результаті дослідники працюють над будівництвом перовскітні сонячні елементи, які можуть живити невеликі безпілотні літаки та інші пристрої, де зменшення ваги є ключовим фактором.

Команда 2000 р. Нобелівська премія з хімії був присуджений дослідникам, які вперше виявили, що вони можуть виготовити інший тип надтонкого напівпровідника, який називається напівпровідниковим полімером. Цей тип матеріалу називають «органічним напівпровідником», оскільки він заснований на вуглеці, а «полімером», оскільки складається з довгих ланцюгів органічних молекул. Органічні напівпровідники вже використовуються комерційно, в тому числі в млрд. доларів промисловості of органічні світлодіодні дисплеї, більш відомі як OLED-телевізори.

Полімерні напівпровідники не настільки ефективно перетворюють сонячне світло на електрику, як перовскіти або кремній, але вони набагато більше гнучкі та потенційно надзвичайно довговічні. Звичайні полімери - не напівпровідникові - зустрічаються скрізь у повсякденному житті; це молекули, з яких складається тканина, пластмаса та фарба. Полімерні напівпровідники здатні поєднувати електронні властивості таких матеріалів, як кремній, з фізичними властивостями пластику.

Найкраще з обох світів: ефективність та довговічність

Залежно від своєї структури, пластмаси мають широкий спектр властивостей - включаючи як гнучкість, як і брезент; та жорсткість, як панелі кузова деяких автомобілів. Напівпровідникові полімери мають жорстку молекулярну структуру, і багато з них складаються з крихітних кристалів. Вони є ключовими для їх електронних властивостей, але, як правило, роблять їх крихкими, що не є бажаним атрибутом ні для гнучких, ні для жорстких предметів.

Робота моєї групи була зосереджена на визначенні способів творення матеріали з хорошими напівпровідниковими властивостями та довговічністю відомі пластики - гнучкі чи ні. Це буде ключем до мого уявлення про сонячну брезент або ковдру, але також може призвести до покрівельних матеріалів, зовнішньої підлогової черепиці або, можливо, навіть до поверхонь доріг або парковок.

Ця робота стане ключем до використання сили сонячного світла - адже, зрештою, сонячне світло, яке потрапляє на Землю за одну годину, містить більше енергії, ніж усе людство витрачає за рік.

про автора

Даррен Ліпомі, професор кафедри наноінженерії, Університету Каліфорнії в Сан-Дієго

Ця стаття була спочатку опублікована на Бесіда. Читати оригінал статті.

Суміжні книги

at InnerSelf Market і Amazon