Сучасні сонячні технології недостатньо хороші. Антоніо Гарсія на Unsplash, ФАЛ

Попит на дешевшу, екологічну електроенергію означає, що енергетичний ландшафт змінюється швидше, ніж в будь-який інший момент історії. Особливо це стосується сонячна енергія та акумулятор. Вартість обох впала безпрецедентними темпами за останнє десятиліття та таких енергоефективних технологій, як Світлодіодне освітлення також розширились.

Доступ до дешевої та повсюдної сонячної енергії та накопичувачів змінить спосіб виробництва та використання енергії, що дозволить електрифікувати транспортний сектор. Є потенціал для нових економік, заснованих на хімічних речовинах, в яких ми зберігати відновлювані джерела енергії як паливота підтримувати нові пристрої, що складаютьІнтернет речей".

Але наші сучасні енергетичні технології не приведуть нас до цього майбутнього: незабаром ми досягнемо меж ефективності та витрат. The потенціал для майбутніх скорочень наприклад, вартість електроенергії з кремнієвої сонячної енергії обмежена. Виробництво кожної панелі вимагає достатньої кількості енергії, а заводи - це дорого будувати. І хоча вартість виробництва можна ще трохи зменшити, зараз вартість сонячної установки є переважають статисти - монтаж, електропроводка, електроніка тощо.

Це означає, що нинішні сонячні енергетичні системи навряд чи задовольнять необхідну частку наших глобальних вимог до енергоспоживання в 30 Тераватт (TW) (сьогодні вони виробляють менше 1 TW) досить швидко для вирішення таких питань, як зміна клімату.

Подібним чином, наші сучасні технології світлодіодного освітлення та відображення є занадто дорогими і недостатньо якісними, щоб якісно замінити традиційне освітлення за досить короткий проміжок часу. Це проблема, оскільки в даний час на освітлення припадає 5% світових викидів вуглецю. Потрібні нові технології, щоб швидко заповнити цю прогалину.

Галогенідні перовскіти

Наша лабораторія в Кембриджі, Англія, працює з перспективною новою сімейством матеріалів, відомих як галогенідні перовскіти. Вони є напівпровідниками, що проводять заряди при стимуляції світлом. Чорнила з перовскітом наносяться на скло або пластик, утворюючи надзвичайно тонкі плівки - приблизно одну соту ширини людського волосся, що складаються з металу, галогенідів та органічних іонів. При затисканні між електродними контактами ці плівки створюють сонячні батареї або світлодіодні пристрої.

Дивно, але колір світла, який вони поглинають або випромінюють, можна змінити, просто змінивши їх хімічну структуру. Змінюючи спосіб їх вирощування, ми можемо адаптувати їх, щоб вони були більш придатними для поглинання світла (для сонячної панелі) або випромінювання світла (для світлодіода). Це дозволяє нам робити різнокольорові сонячні елементи та світлодіоди, що випромінюють світло від ультрафіолетового, аж до видимого та ближнього інфрачервоного випромінювання.

Незважаючи на дешеву та універсальну обробку, ці матеріали виявились надзвичайно ефективними як сонячні елементи, так і випромінювачі світла. Потрапляють сонячні елементи з перовскітом ККД 25.2% у 2019 році, гарячі на п’ятах кристалічного кремнію в 26.7%, а перовскітні світлодіоди вже є наближається готові органічні світлодіодні характеристики (OLED).

Ці технології є швидко комерціалізується, особливо на фронті сонячних батарей. Британська компанія Oxford Photovoltaics має побудував виробничу лінію і заповнює свої перші замовлення на придбання на початку 2021. Польська компанія Saule Technologies випустила прототипи продукції наприкінці 2018 року, зокрема пілот сонячного фасаду перовскіт. Китайський виробник Microquanta Semiconductor розраховує випустити більше 200,000 квадратних метрів панелей у виробничій лінії до кінця року. Американська компанія Swift Solar (компанія, яку я заснував) є новатором висока продуктивність клітини з легкими, гнучкими властивостями.

Кольорові перовскітові світловипромінюючі фарби, які можна розливати в тонкі плівки. © Сандіп Патак, Автор надано

між ці та інші компанії, спостерігається швидкий прогрес.

Сонячні вікна та гнучкі панелі

На відміну від звичайних кремнієвих елементів, які повинні бути дуже однорідними для високої ефективності, перовскітові плівки складаються з мозаїка “зерна” дуже різного розміру (від нанометрів до міліметрів) та хімії - і все ж вони працюють майже так само добре, як найкращі кремнієві клітини сьогодні. Більше того, дрібні плями або дефекти у перовскітних плівках не призводить до значних втрат потужності. Такі дефекти були б катастрофічними для кремнієвої панелі або комерційного світлодіода.

Хоча ми все ще намагаємось це зрозуміти, ці матеріали змушують громаду переписати підручник на те, що ми вважаємо ідеальним напівпровідником: вони можуть мати дуже хороші оптичні та електронні властивості, незважаючи на - або можливо навіть через - безладдя.

Ми могли б гіпотетично використовувати ці матеріали для виготовлення кольорових сонячних батарей “дизайнерських” кольорів, які поєднуються з будинками чи будинками, або сонячних вікон, схожих на тоноване скло, які все ж створюють влада.

Але справжня можливість полягає в тому, щоб розвивати високоефективні клітини, які перевищують ефективність клітин кремнію. Наприклад, ми можемо скласти дві різнокольорові плівки перовскіту разом в «Тандемний» сонячний елемент. Кожен шар збирав би різні регіони сонячного спектру, збільшуючи загальну ефективність клітини.

Іншим прикладом є те, що новаторські технології в Оксфорді проводять: додавання шару перовскіту поверх стандартної кремнієвої комірки, підвищення ефективності існуючої технології без значних додаткових витрат. Ці тандемні підходи до шару можуть швидко створити підвищення ефективності сонячних панелей перевищує 30%, що призведе до зменшення витрат як на панелі, так і на систему, а також зменшить їх енергетичний слід.

Ці перовскітові шари також розробляються для виробництва гнучких сонячних панелей, які можна обробляти, щоб згортати як газетний папір зменшення витрат. Легка, потужна сонячна батарея також відкриває можливості для живлення електромобілів та супутників зв'язку.

Гнучкий перовскіт-прототип сонячної батареї. Пламен Петков для Scientific American

Що стосується світлодіодів, перовскіти можуть досягти фантастики якість кольору що може призвести до передових гнучкі технології відображення. Перовські також можуть дати дешевше, вищу якість біле освітлення ніж сьогоднішні комерційні світлодіоди, із “кольоровою температурою” земної кулі, яку можна виготовити, щоб дати прохолодне чи тепле біле світло або будь-який бажаний відтінок між ними. Вони також викликають хвилювання як будівельні блоки для майбутні квантові комп'ютери, А також Рентгенівські детектори для надзвичайно низьких доз медичного та безпечного зображення.

Хоча перші продукти вже з’являються, проблеми все ще існують. Одним із ключових питань є демонстрація довгострокова стабільність. Але дослідження є багатообіцяючим, і як тільки вони будуть вирішені, галогенідні перовскіти можуть справді сприяти трансформації нашого виробництва та споживання енергії.

Про автора

Сем Странкс, викладач кафедри енергетики та університету Королівського суспільства, Кембриджський університет

Ця стаття перевидана з Бесіда за ліцензією Creative Commons. Читати оригінал статті.

Суміжні книги

Недолік: Найбільш всеосяжний план, який пропонувався змінити глобальне потепління

Пол Хоукен і Том Стейер
В умовах поширеного страху та апатії міжнародна коаліція дослідників, професіоналів та вчених зібралася, щоб запропонувати набір реалістичних та сміливих рішень щодо зміни клімату. Тут описано сто прийомів і практик - деякі добре відомі; про які ви, можливо, ніколи не чули. Вони варіюються від чистої енергії до навчання дівчат у країнах з низьким рівнем доходу до використання методів землекористування, які витягують вуглець з повітря. Рішення існують, є економічно вигідними, і громади в усьому світі в даний час приймають їх з вмінням і рішучістю. Доступний на Amazon

Проектування кліматичних рішень: Посібник з політики щодо енергії з низьким вмістом вуглецю

Гал Харві, Роббі Орвіс, Джефрі Ріссман
З урахуванням наслідків зміни клімату, необхідність зменшення глобальних викидів парникових газів є не менш терміновою. Це страшний виклик, але сьогодні існують технології та стратегії для його вирішення. Невеликий набір енергетичної політики, розроблений та реалізований добре, може поставити нас на шлях до майбутнього з низьким рівнем вуглецю. Енергетичні системи є великими та складними, тому енергетична політика повинна бути цілеспрямованою та економічно ефективною. Універсальні підходи просто не дозволять зробити роботу. Політики потребують чіткого, всебічного ресурсу, який би окреслював енергетичну політику, яка матиме найбільший вплив на наше кліматичне майбутнє, та описував, як правильно розробляти цю політику. Доступний на Amazon

Це змінює все: капіталізм проти клімату

автор: Наомі Кляйн
In Це змінює все Наомі Кляйн стверджує, що зміни клімату - це не лише одна проблема, яку слід акуратно подати між податками та охороною здоров'я. Це тривога, яка закликає нас виправити економічну систему, яка вже багато в чому нас не дає. Клейн ретельно будує випадок того, наскільки масово скорочення викидів парникових газів - це наш найкращий шанс одночасно зменшити розбіжність нерівності, переосмислити наші розбиті демократії та відновити наші поглиблені місцеві економіки. Вона висловлює ідеологічне відчай заперечувачів зміни клімату, месіанські марення потенційних геоінженерів та трагічний дефектизм занадто багатьох зелених ініціатив. І вона точно демонструє, чому ринок не (і не може) виправити кліматичну кризу, а навпаки, погіршить ситуацію із все більш екстремальними та екологічно згубними методами видобутку, що супроводжуються бурхливим капіталізмом катастроф. Доступний на Amazon

Від видавця:
Покупки в Amazon йдуть на те, щоб покрити витрати на привезення вас InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, та ClimateImpactNews.com безкоштовно і без рекламодавців, які відстежують ваші звички перегляду. Навіть якщо ви натискаєте на посилання, але не купуєте ці вибрані продукти, все, що ви купуєте за той же візит на Amazon, платить нам невелику комісію. Додаткових витрат для вас немає, тому, будь ласка, внесіть свої зусилля. Ви також можете використовуйте цю посилання в будь-який час користуватися Amazon, щоб ви могли допомогти підтримати наші зусилля.