Noong nakaraang buwan, isang tagapagpananaliksik sa National Renewable Energy Laboratory sa Golden, Colo., Ang nag-load ng isang postage stamp-sized solar cell papunta sa isang tray at inilagay ito sa ilalim ng high-intensity pulse solar simulator. Lumabas ang simulator ng 2.5 millisecond pulse ng liwanag, at ang mga salaming 19 ay nagpapakita ng mga photon pababa sa cell. Para sa ilang higit pang mga millisecond, ang data ay binubunot sa pamamagitan ng isang looping nest ng mga wires sa mga computer ng NREL. Ang mga mananaliksik ay nag-crunched at nagwasto ng mga numero, at pinatutunayan ng superbisor ng pagganap ng aparato na si Keith Emery: Isang bagong rekord ng mundo para sa solar na photovoltaic na kahusayan ang naitakda.

Sa mataas na pusta, mataas na teknikal na mundo ng photovoltaics, ang marka ay pinananatiling bilang porsiyento ng raw solar energy na pumapasok sa isang cell na na-convert sa kuryente. Dahil ang kanyang lab ay isa lamang sa US na pinatunayan ng International Electrotechnechnical Commission para sa pagsusuri ng mga kahusayan ng mga solar cell, si Emery ay hindi opisyal na solar scorekeeper ng bansa.

Nasa panahon ng Renaissance ng photovoltaic na pananaliksik, kung saan pare-pareho ang pagbabago ay nagpapatakbo ng mga kahusayan sa lahat ng mga uri ng mga solar cell - mula sa pinaka maginoo mala-kristal na silikon, sa manipis-film cadmium telluride, upang magkano-buzzed-tungkol sa mga bagong tuklas tulad ng perovskite cells. Ang mga rekord ng mundo ay nasira sa isang breakneck rate, at ang mga mananaliksik sa likod ng pinakahuling record-setter na ito ay mas mahusay kaysa sa ipagdiwang para sa masyadong mahaba.

Ang Solar Holy Grail: Grid Parity

Tungkol sa lahat ng tao sa photovoltaic na komunidad - kahit na ang mga natitira sa dust sa pamamagitan ng mga pinakabagong mga makabagong-likha - ay sumang-ayon na ang palaging one-upmanship ay isang magandang bagay. Para sa industriya ng solar, ang mga rating ng kahusayan ay higit pa kaysa sa mga karapatan o feed para sa mga mapagkukunan ng pananaliksik. Ang mga ito ay susi sa paglipat ng mas malapit sa "grid parity" - ang punto kung saan ang photovoltaics ng kuryente ay gumagawa ng mga gastos katulad ng (o mas mababa sa) na mula sa karbon at natural na mga halaman ng gas.

"Kapag maaari kang bumuo ng mga solar cell na may napakataas na kahusayan, na-unlock mo ang mga pagtitipid sa kabuuan," sabi ng physicist na si John Rogers ng University of Illinois sa Urbana?Champaign, isang malawak na iginagalang na pinuno sa photovoltaic na pananaliksik. "Bawasan mo ang bilang ng mga module na iyong binuo. Bawasan mo ang gastos sa pag-install. Bumababa ang maintenance cost. Bumababa ang dami ng lupang kailangan mo."

Ang panuntunan ng hinlalaki sa solar energy world ay ang mga photovoltaics ay maaaring makipagkumpetensya nang direkta sa karbon at likas na gas kapag ang kanilang gastos sa produksyon ng kuryente ay umabot sa $ 1 per watt. "Ang pangunahing palagay ay kapag nagdadala ka ng isang bagay pababa sa grid parity, ang pagtanggap ng teknolohiya ay mas mahusay, "sabi ni Ramamoorthy Ramesh, founding director ng Programa ng Kagawaran ng Enerhiya ng SunShot ng US, na inilunsad sa 2011 sa misyon ng pagdadala ng gastos ng solar power pababa upang matugunan o matalo ang gastos ng kuryente mula sa fossil fuels.

Ang panuntunan ng hinlalaki sa solar energy world ay ang mga photovoltaics ay maaaring makikipagkumpetensya nang direkta sa karbon at likas na gas kapag ang kanilang gastos sa produksyon ng kuryente ay umabot sa $ 1 bawat wat. Sa oras na nagsimula ang SunShot, ang halaga ng solar PV na kuryente ay $ 5 bawat wat. Tatlong taon, ang mga ulat ng Ramesh ay bumaba na sa paligid ng $ 2.80 bawat wat.

Gayunman, ang karamihan sa mga low-hanging fruit para sa mga pagtitipid sa gastos ay pinili, at ang isang glut ng Chinese solar panels ay isang malaking driver ng solar affordability. Upang mag-ahit sa susunod na $ 1.80, ang paggawa ng mga cell na may mas mataas na kahusayan at paglipat ng mga tuklas mula sa lab sa tunay na mundo ay magiging mahalaga.

"Sa photovoltaics, alam namin kung ano ang gagawin," sabi ni Ramesh. "Kailangan nating bawasan ang mga gastos sa pagmamanupaktura at pagbutihin ang kahusayan."

Solar Nagbibigay ng Maraming Pagkakataon para sa Kahusayan

Ang mga pagkakataon para sa pagpapabuti ng kahusayan ay marami. Ang isang mahalagang lugar ng focus ay sa materyal na semiconductor na ginagamit upang makuha ang ilaw enerhiya at i-on ito sa kasalukuyang. Ang bawat materyal na ginamit bilang isang semiconductor ay may mga natatanging lakas at limitasyon tungkol sa kahusayan, kadalasan dahil ang bawat isa ay pinakamahusay sa pagsipsip ng isang tiyak na segment ng natural na spectrum ng ilaw - kaya ang paghahanap ay patuloy para sa mga materyales na maaaring gawin ng kaunti mas mahusay.

Upang mapakinabangan ang kahusayan, ang mga inhinyero ay patuloy na nag-uugnay sa bawat aspeto ng mga mikroskopikong cell na ito. Ang iba pang mga kadahilanan ay nakakaapekto sa dulo ng kahusayan ng isang cell pati na rin: kung paano ang isang materyal na semiconductor degrades sa paglipas ng panahon, kung paano ang arkitektura ng cell ay nagbibigay-daan para sa pagsipsip, gaano aptly kinukuha ng mga electrodes ang kasalukuyang semiconductor na lumilikha at patnubayan ito sa isang produktibong paggamit bilang koryente. Upang mapakinabangan ang kahusayan, ang mga inhinyero ay patuloy na nag-uugnay sa bawat aspeto ng mga mikroskopikong cell na ito - binabago ang mga chemistries at mga disenyo upang magawa ang pinakamahusay na kasalukuyang at boltahe.

Dahil sa iba't ibang potensyal na kahusayan ng iba't ibang mga materyales at mga disenyo, ang isang marka ng kahusayan sa pagtatala ng rekord para sa isang partikular na uri ng photovoltaic cell ay maaaring mas mataas kaysa sa isa pa. Ang pinakamainam na manipis na film solar cells sa mundo ay nasa labas sa paligid ng 23 porsiyento, samantalang ang pinakamainam na selula ng silikon ay nakakamit sa paligid ng 26 na porsyento at ang pinakamahusay na multi-junction cells (na gumagamit ng isang uri ng mga semiconductors na nakasalansan sa ibabaw ng isa't-isa) ay naglilinis ng 44 na porsiyento .

Ngunit ang mga selyong multi-junction ay mas mahal upang makagawa, at hindi talaga magagamit sa mga setting ng rooftop. Kaya isang silikon cell na mag-logs mas mahusay kaysa sa 25 porsyento na kahusayan ay ang bawat bit bilang kapana-panabik at promising bilang isang multi-junction cell na clocking sa paglipas ng 40.

Maaari Ba Namin Maghintay Patuloy na Pagtaas Sa Mga Solar Kahusayan?

Kapag nag-larawan ka ng isang solar panel - sa isang rooftop o sa isang malaking nababagsak na photovoltaic farm - malamang na mayroon ka ng isang imahe ng mala-kristal na silikon sa iyong ulo. Para sa mga dekada, ang silicon ay naging workhorse ng photovoltaics sa buong mundo, sa ngayon ang pinakakaraniwang semiconductor para sa solar cells. "Ang Silicon ay nakapalibot sa 80 sa 90 porsiyento ng merkado para sa isang bagay tulad ng 20 na taon," sabi ni Sarah Kurtz, tagapamahala ng Reliability Group sa NREL.

Sa pamamagitan ng mga dekada, ang mga kahusayan ng mga cell ng silikon ay patuloy na nadagdagan, ngunit dahan-dahan, at ang umiiral na saloobin ay wala pang mas maraming kahusayan na maaaring maipakita sa silikon. Hanggang kamakailan.

Ang isang upstart silikon kumpanya, TetraSun, ay may mga mananaliksik NREL abuzz at kakumpitensya nakakakita pula. Sa pamamagitan ng pag-on ng isang pares ng mga kombensyong silikon sa kanilang tainga, ang TetraSun ay naka-log 21 porsiyento na kahusayan sa mga 18 lamang na buwan ng trabaho. Habang hindi na iyan ay tulad ng isang pulutong, ito ay pinapalabas ang mga karaniwang screen-printed silikon cells - sa pamamagitan ng malayo ang pinaka-karaniwang nakikita mo sa mga rooftop - sa pamamagitan ng ilang mga seryosong porsyento puntos.

Ang bahagi ng sekreto ni TetraSun ay ang ilan sa mga bantog na atleta ng pagganap: doping. Ang lahat ng mga wafer ng silikon ay doped (chemically treated), ngunit ang tinatawag na "N-type" na mga cell ng TetraSun ay doped na may posporus. Pinipigilan nito ang mga selula mula sa pagdurusa ng parehong degradasyon na sapilitan sa liwanag na sinasadya ang maginoo na boron-doped na "P-type" na mga manipis, na tumutulong na mapanatiling mas matagal ang kahusayan sa haba ng isang panel. 

Ang ganitong mga pagsisikap na kapalit ng mas mura mga materyales para sa pricey components ay nagiging unting mahalaga bilang mga kumpanya tumingin sa pagbuo ng mas malaking solar photovoltaic gusali.

Ang mga uri ng N-uri ng TetraSun ay may double-panig din, na nagtatampok ng ilang matalinong arkitektura na nagpapahintulot sa semiconductor na makuha ang di-tuwirang liwanag ng araw na nag-bounce sa ilalim ng module. At, sa itaas na iyon, binago ni TetraSun ang pilak na parilya na linya sa harap ng isang tipikal na panel ng photovoltaic ng silikon, na nagpapalabas ng electric current off ng cell, para sa mga electrodes ng tanso. Hindi talaga iyon simple - sa loob ng ilang buwan at buwan ang mga inhinyero ni TetraSun ay nagtrabaho kasama ang mga eksperto ng NREL upang malaman kung paano makukuha ang tanso, isang masamang bagay na materyal, upang kumilos. Sa wakas, ang tansong natigil sa pormasyon, ang gridded mga linya tungkol sa isang-dalawampu't-ikalimang ang lapad ng isang buhok ng tao.

Ang ganitong mga pagsisikap upang palitan ang mas mura materyales para sa mga bahagi ng mahal ay nagiging nagiging mahalaga habang ang mga kumpanya ay tumingin sa pagbuo ng mas malaking solar photovoltaic installation, NREL analytical microscopy superbisor Mowafak Al-Jassim Sinabi sa SolarReviews noong nakaraang Nobyembre.

Hanggang sa Pebrero, ang mga panel na nilagyan ng mga cell na tanso na nilagyan ng TetraSun ay nakakaramdam ng mga ray sa mga rooftop ng mga tunay na nagbabayad na kostumer. Ang kumpanya ay binili ng Unang Solar, isang malaking-oras na manlalaro sa komersyal na solar, na agad na pinagsama ang produkto ng TetraSun bilang unang linya nito para sa mga rooftop.

Isang Potensyal na Tumataas na Bituin: Perovskite Solar Cells

Kung ang mga mananaliksik ng silikon ay sinusubukan na magturo ng isang lumang mga bagong trick ng aso, isang bagong solar na materyal na tinatawag na perovskite ay isang bagong kakaibang lahi ng aso na nagiging mga ulo at bumababa ang mga panga. Ang mga perovskite cell (pinangalanang pagkatapos ng isang mineral na matatagpuan sa Ural Mountains) ay bumabagsak sa kahusayan ng mga tsart na mas mabilis kaysa sa anumang bagay na nakikita ng photovoltaic na mundo.

Ito ay hindi hanggang sa 2009 na ang perovskite ay itinuturing na isang semiconductor sa solar cells. Sa oras na iyon, isang Hapon siyentipiko na nag-eeksperimento sa ito ay naka-log 3.8 porsyento na kahusayan. Noong nakaraang buwan, isang koponan sa Unibersidad ng California-Los Angeles ang iniulat 19.3 porsiyento.

Ang mga perovskite cell "ay isang pagkakaiba-iba sa mga selula ng sensitibo sa dye, na nagtrabaho sa loob ng ilang panahon," paliwanag ni Kurtz, na tumutukoy sa isang umuusbong na uri ng mga selula na mahalagang pumapalit sa mga manipis na semiconductor ng solid-estado na may mga light-absorbing organic na mga tina. "Noong nakaraang taon [ang mga mananaliksik] ay nakilala ang isang materyal na kumbinasyon na nagpapahintulot sa isang mas mataas na kahusayan." At mula noon, ito ay naging sa mga karera.

Ang pinakamalaking bentahe ng perovskite ay gaano kadali na magtrabaho kasama. Ito ay maaaring lumaki sa isang likido at karaniwang naka-print papunta sa isang materyal na base, na gumagawa para sa simple at murang solar cell production na madaling inilipat mula sa high-tech na laboratoryo sa pananaliksik sa mga pabrika.

Isang problema: ang mga pinakamahusay na gumaganap na perovskite na mga cell ay pinaghalo sa lead, na maaaring magtrabaho sa mga secure na kinalalagyan ng isang lab, ngunit walang sinuman ang maglalagay sa kanilang mga rooftop. Sa nakalipas na buwan, gayunpaman, dalawang magkahiwalay na mga koponan sa pananaliksik ang nag-publish ng mga inaasahang resulta ng maagang mga eksperimento na pinagsasama ang perovskite na may lata. Ang lata ay hindi lamang mas ligtas at mas kapaligiran kaysa sa lead, ito ay mas mura rin.

"Tin ay isang napakahusay na materyal, at ipinakita namin na ang materyal ay gumagana bilang isang mahusay na solar cell," sabi ni Mercouri Kanatzidis, isang botika sa Northwestern University sa isang pahayag noong nakaraang buwan nagpapahayag ng mga natuklasan ng kanyang koponan. "Tin at humantong sa parehong grupo sa periodic table, kaya inaasahan namin ang mga katulad na resulta."

Kung ang perovskite solar cells ay makahanap ng tagumpay ay, siyempre, isang bukas na tanong. Ang mga cell ay hindi pa upang patunayan ang kanilang posibilidad na mabuhay sa aktwal na mga module ng salamin at metal, at ang buong field ay masyadong bata upang magkaroon ng anumang kahulugan kung gaano kahusay ang kanilang hawak sa paglipas ng panahon.

Ang Stacking Cells ay isa pang pambihirang tagumpay

Para sa Rogers, ang mga stacking cells ay ang paraan upang masira ang mga limitasyon ng kahusayan ng tradisyonal na photovoltaics. Anumang ibinigay na solar cell na materyales (tulad ng silikon o kadmyum telluride, ang pinaka-popular na anyo ng manipis na pelikula), ipinaliwanag Rogers, ay mahusay sa sumisipsip ng isang limitadong bahagi ng liwanag ng araw na spectrum. Dahil ang mga ito ay lamang tuned sa mga wavelengths, gayunpaman, ang lahat ng mga pangunahing solar cell ay may isang limitasyon teoretikal. (Ang kristal na silikon ay sa paligid ng 29 porsyento, na kilala sa larangan bilang limitasyon ng Shockley-Queisser.)

Ang estratehiya ng Rogers ay ang magtatapon ng iba't ibang mga materyales - ang bawat layer na nakakakuha ng iba't ibang tipak ng light spectrum. "Ang paraan ng pagbutihin mo ang kahusayan ay ang disenyo ng mga solar cell na may kakayahang gumana sa kabuuan ng buong hanay ng parang multo na nauugnay sa mga papasok na photon mula sa araw , at iyan ay medyo malawak na hanay, "sabi ni Rogers.

Ang estratehiya ni Rogers ay mag-stack ng iba't ibang mga materyales - ang bawat layer ay nakakakuha ng ibang bahagi ng light spectrum. "Maaari kang bumuo ng isang solar cell na gumagana talagang mahusay sa berdeng ngunit pangit sa pula," siya nagpapaliwanag, "ngunit pagkatapos stack sa isa pang na tuned upang gumana epektibo sa pula."

Ang resultang mga semiconductor stack ay maliit - mas mababa sa isang millimeter square bawat isa - ngunit ang glass panel na rests sa ibabaw ng mga ito ay naglalaman ng mga lente na pokus ang liwanag ng araw direkta sa bawat stack, tulad ng isang masamang kid torching isang bug sa isang magnifying glass. Ang bawat piraso ng ilaw na pinindot ng panel ay nakakatugon sa isang miniscule stack ng mga cell.

Ang gawaing ito ng microengineering - kung saan, sa brutally oversimplify ito, ay nagsasangkot ng lumalaking bawat layer sa isang iba't ibang mga substrate, ukit malayo ang nais na mga cell, "goma panlililak" ang semiconductors papunta sa cell mismo at pagkatapos stacking ang mga ito ng apat na layers makapal - talagang gumagana. Ang koponan ng Rogers ay nagpahayag lamang ng isang apat na layer cell na naka-clocked sa sa lab sa 42.5 porsyento na kahusayan.

Nagtatrabaho na ngayon si Rogers sa isang kumpanya na nakabase sa North Carolina na tinatawag na Semprius upang ilagay ang mga multi-junction cell tulad ng kanyang sa field-ready modules. Kahit na sa lahat ng iba't ibang mga kagamitan, ang Semprius modules ay nakakuha ng 35 na porsyento na kahusayan, na "ganap na ang pinakamataas na gumaganap na module out doon," sabi ni Rogers. "Hindi pa ito malapit."

Ang mga may-ari ng bahay ay malamang na hindi maglalagay ng isang order sa Semprius, dahil ang mga modyul na ito ay hindi para sa mga rooftop. Ang mga ito ay "pinaka mahusay na angkop para sa utility scale solar sakahan, o maaari mong isipin ang mga ito naka-install sa pang-industriya parke at data bukid. Nag-uusapan kami tungkol sa ultra-low cost, malakihang power generation, "sabi ni Rogers.

Mababang sapat na gastos upang makamit ang grid parity? Ang Siemens, ang napakalaking solar na lider ng Aleman, ay iniisip ito. Ang kumpanya ay isang maagang mamumuhunan sa Semprius, at tinatawag ni Rogers ang pagsusuri nito sa teknolohiya na "pinaka-kagila."

"Sila ay tumingin at sinabi na ito ay maaaring mas mura kaysa sa karbon."

Gayunpaman, totoo sa likas na katangian ng paghahanap para sa mas mahusay na photovoltaics, hindi ito ang katapusan ng kuwento: Bumalik sa lab, sabi ni Rogers na may ilang maliit na tweaks ang kanyang koponan ay makakakuha ng kahusayan rating up sa 50 porsyento. "Maaari naming pumunta sa isang mahabang paraan nang walang isa pang pambihirang tagumpay."

Manatiling nakatutok.

Ang artikulong ito ay orihinal na lumitaw sa ensia

Tungkol sa Author

Si Ben Jervey ay isang manunulat at editor na sumasaklaw sa klima, enerhiya, at kapaligiran. Regular na sumulat siya para sa National Geographic News, Sa lupa, at DeSmogBlog. Nagtrabaho siya kamakailan sa Focus the Nation upang mag-publish ng isang Enerhiya 101 panimulang aklat sa pagbasa. Isang mahilig sa bisikleta, si Ben ay sumakay sa buong Estados Unidos at sa pamamagitan ng karamihan sa Europa.

Inirerekumenda libro:

Paano Palitan ang Mundo: Mga Social na Negosyante at Kapangyarihan ng Mga Bagong Ideya, Na-update na Edition
ni David Bornstein.

Nai-publish sa higit sa dalawampung mga bansa, Paano Baguhin ang Mundo ay naging Bibliya para sa panlipunang entrepreneurship. Naglalaman ito ng mga kalalakihan at kababaihan mula sa buong mundo na natagpuan ang mga makabagong solusyon sa iba't ibang uri ng mga problema sa lipunan at ekonomiya. Kung nagtatrabaho sila upang makapaghatid ng solar energy sa mga taga-baryo ng Brazil, o pagbutihin ang pag-access sa kolehiyo sa Estados Unidos, nag-aalok ang mga social entrepreneur ng mga solusyon sa pangunguna na nagbabago ng buhay.

Pindutin dito para sa karagdagang impormasyon at / o mag-order ng aklat na ito sa Amazon.