Сонячні батареї на даху Walmart, Маунтін-В'ю, Каліфорнія.
Walmart / Flickr, CC BY

Глобальний попит на енергоносії збільшується з часом, коли країни, що розвиваються, рухаються до індустріалізації. За оцінками експертів, до року 2050 світовий попит на електроенергію може досягти 30 тераватт (TW). В перспективі один терават приблизно дорівнює потужності 1.3 мільярдів коней.

Енергія від сонця безмежна - сонце забезпечує нам 120,000 TW потужність у будь-який момент - і це безкоштовно. Але сьогодні сонячна енергія забезпечує лише близько одного відсотка світової електроенергії. Найважливішим викликом є ​​зменшення затрат на перетворення фотоенергії у придатну електричну енергію.

Для цього нам потрібно знайти матеріали, які поглинають сонячне світло і ефективно перетворюють його в електрику. Крім того, ми хочемо, щоб ці матеріали були рясними, екологічно доброякісними та економічно вигідними для виготовлення в сонячні пристрої.

Дослідники з усього світу працюють над розробкою технологій сонячних батарей, які є ефективними та доступними. Мета полягає в тому, щоб порівняно з порівняно з енерговитратами встановити вартість встановлення сонячної електроенергії нижче $ 1 за ват близько $ 3 за ват сьогодні.

В університеті Бінгемтона Центр автономної сонячної енергії (CASP), ми досліджуємо способи виготовлення тонкоплівкових сонячних батарей, використовуючи матеріали, що мають велику природу та нетоксичні. Ми хочемо розробити сонячні батареї, які будуть надійними, високоефективними при перетворенні сонячного світла в електрику і недорогі у виробництві. Ми визначили два матеріали, які мають великий потенціал як сонячні поглиначі: пірит, більш відомий як дурне золото через його металевий блиск; і мідно-цинково-олово-сульфідний (CZTS).

Шукаю ідеального матеріалу

Сьогоднішні комерційні сонячні батареї виготовлені з одного з трьох матеріалів: кремнію, телуриду кадмію (CdTe) та селеніду міді-індію та галію (CIGS). У кожного є сильні та слабкі сторони.

Кремнієві сонячні батареї є високоефективними, перетворюючи до 25 відсотків сонячного світла, що потрапляє на них в електрику, і дуже довговічні. Однак переробляти кремній у вафлі дуже дорого. І ці вафлі повинні бути дуже густими (приблизно міліметрів 0.3, яка є сонячною батареєю), щоб поглинати все сонячне світло, що потрапляє на них, що ще більше збільшує витрати.

Кремнієві сонячні батареї, які часто називають сонячними елементами першого покоління, використовуються на панелях, які стали звичними пам’ятками на дахах. Наш центр вивчає інший тип, який називається сонячними батареями тонких плівок, які є наступним поколінням сонячних технологій. Як випливає з назви, тонкі плівкові сонячні батареї виготовляються шляхом нанесення тонкого шару сонячного поглинаючого матеріалу на підкладку, таку як скло або пластик, яка, як правило, може бути гнучкою.

Ці сонячні батареї використовують менше матеріалу, тому вони дешевші, ніж кристалічні сонячні батареї, виготовлені з кремнію. Неможливо нанести кристалічний кремній на гнучку підкладку, тому нам потрібен інший матеріал, який можна використовувати в якості сонячного поглинача.

Хоча сонячна технологія з тонкою плівкою швидко вдосконалюється, деякі матеріали сучасних сонячних батарей з тонкою плівкою є дефіцитними або небезпечними. Наприклад, кадмій у CdTe є високотоксичним для всього живого і, як відомо, викликає рак у людини. CdTe може виділятися на кадмій і телур при високих температурах (наприклад, в лабораторії або на пожежі), що становить серйозну небезпеку вдихання.

Ми працюємо з піритом та CZTS, оскільки вони нетоксичні та дуже недорогі. CZTS коштує близько 0.005 центів за ват, а піритові витрати всього 0.000002 центів за ват. Вони також є одними з найпоширеніших матеріалів земної кори і ефективно поглинають видимий спектр сонячного світла. Ці плівки можуть бути такими ж тонкими, як 1 / 1000th міліметра.

Тестування сонячних батарей CZTS під імітованим сонячним світлом.
Тара Дакал / Університет Бінгемтона, авторНам потрібно кристалізувати ці матеріали, перш ніж ми зможемо виготовити їх у сонячні батареї. Це робиться нагріванням їх. CZTS кристалізується при температурі при градусі Цельсія 600, порівняно з 1,200 градусів Цельсія або вище для кремнію, що робить його менш дорогим в обробці. Він дуже схожий на високоефективні мідні сонячні батареї селеніду індію галію (CIGS), які зараз є у продажу, але замінює індій та галій у цих клітинах дешевшими та ряснішими цинком та оловом.

Поки що сонячні батареї CZTS відносно неефективні: вони перетворюють менше 13 відсотків сонячного світла, що потрапляє на них до електрики, порівняно з відсотками 20 для більш дорогих сонячних батарей CIGS.

Ми знаємо, що сонячні батареї CZTS можуть бути ефективними на 30 відсотків. Основними проблемами є 1) синтез високоякісної тонкої плівки CZTS без будь-яких слідів домішок, і 2) пошук підходящого матеріалу для шару «буфера» під ним, який допомагає збирати електричні заряди, які сонячне світло створює в поглинальному шарі. Наша лабораторія виготовила тонку плівку CZTS семивідсоткова ефективність; ми сподіваємось найближчим часом наблизитись до відсоткової ефективності 15, синтезуючи високоякісні шари CZTS та знаходячи відповідні буферні шари.

Структура сонячної батареї CZTS.
Тара Дакал / Університет Бінгемтона, надано авторомПірит - ще один потенційний поглинач, який можна синтезувати при дуже низьких температурах. Наша лабораторія синтезувала піритові тонкі плівки, і зараз ми працюємо над тим, щоб нанести ці плівки в сонячні батареї. Цей процес є складним, тому що пірит легко руйнується під час впливу тепла та вологи. Ми досліджуємо способи зробити його більш стійким, не впливаючи на його сонячну поглинальну здатність та механічні властивості. Якщо вдасться вирішити цю проблему, «дурне золото» може перетворитися на розумний фотоелектричний пристрій.

У недавньому дослідженні дослідники Стенфордського університету та Каліфорнійського університету в Берклі підрахували, що сонячна енергія може забезпечити до 45 відсотків електроенергії США від 2050. Для досягнення цієї мети нам потрібно продовжувати скорочувати витрати на сонячну енергію та знаходити способи зробити сонячні батареї більш стійкими. Ми вважаємо, що рясні, нетоксичні матеріали є ключовими для реалізації потенціалу сонячної енергії.

про автора

Тара П. Дакал, доцент кафедри електротехніки та обчислювальної техніки, університет Бінгемтона, Державний університет Нью-Йорка. Його науковий інтерес полягає у відновлювальній енергії, зокрема сонячній енергії. Його метою дослідження є досягнення технології сонячних батарей, яка є екологічно доброякісною та економічно доступною.

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

Суміжні книги

at InnerSelf Market і Amazon