Solar panel sa isang Walmart roof, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY

Ang pandaigdigang pangangailangan para sa enerhiya ay tumataas sa pamamagitan ng oras habang lumalaki ang mga pandaigdigang bansa sa industriyalisasyon. Tinataya ng mga eksperto na sa taong 2050, maaaring maabot ng buong mundo ang pangangailangan para sa kuryente 30 terawatts (TW). Para sa perspektibo, ang isang terawatt ay halos katumbas ng kapangyarihan ng 1.3 bilyon na kabayo.

Ang enerhiya mula sa araw ay walang hanggan - ang araw ay nagbibigay sa amin ng 120,000 TW ng kapangyarihan sa anumang ibinigay na instant - at libre ito. Ngunit ngayon ay nagbibigay ng solar energy lamang tungkol sa isang porsiyento ng koryente sa mundo. Ang kritikal na hamon ay ginagawang mas mura sa pag-convert ng photo-energy sa magagamit na enerhiyang elektrikal.

Upang magawa iyan, kailangan nating maghanap ng mga materyales na sumisipsip ng sikat ng araw at mag-convert ito sa mahusay na koryente. Bukod pa rito, nais naming maging masagana ang mga materyal na ito, pangkalikasan na benign at cost-effective na gumawa ng mga solar device.

Ang mga mananaliksik mula sa buong mundo ay nagtatrabaho upang bumuo ng solar cell na mga teknolohiya na mahusay at abot-kayang. Ang layunin ay upang dalhin ang gastos sa pag-install ng solar na kuryente sa ibaba US $ 1 kada wat, kumpara sa tungkol sa $ 3 bawat wat ngayon.

Sa Binghamton University's Center for Autonomous Solar Power (CASP), sinisiyasat namin ang mga paraan upang makagawa ng manipis na film solar cells gamit ang mga materyales na likas na likas at hindi nakakainis. Gusto naming bumuo ng mga solar cell na maaasahan, mataas na mahusay sa pag-convert ng sikat ng araw sa koryente at mura sa paggawa. Nakilala namin ang dalawang materyales na may mahusay na potensyal na bilang solar absorbers: pyrite, mas mahusay na kilala bilang ginto ang tanga dahil sa kanyang metalikong ningning; at tanso-sink-tin-sulfide (CZTS).

Naghahanap ng perpektong materyal

Ang mga komersyal solar cells ngayon ay ginawa mula sa isa sa tatlong mga materyales: silikon, cadmium telluride (CdTe) at tanso-indium-galyum-selenide (CIGS). Ang bawat isa ay may lakas at kahinaan.

Ang mga cell ng Silicon solar ay lubos na mahusay, nagko-convert hanggang sa 25 porsiyento ng sikat ng araw na bumaba sa kanila sa kuryente, at napakatagal. Gayunpaman, ito ay napakamahal sa pagproseso ng silikon sa mga manipis. At ang mga manipis na ito ay kailangang maging napaka-makapal (tungkol sa 0.3 millimeters, na kung saan ay makapal para sa solar cells) upang makuha ang lahat ng sikat ng araw na bumagsak sa mga ito, na karagdagang tataas ang mga gastos.

Ang Silicon solar cells - madalas na tinutukoy bilang unang henerasyon na solar cells - ay ginagamit sa mga panel na naging pamilyar na tanawin sa mga rooftop. Ang aming sentro ay nag-aaral ng isa pang uri na tinatawag na manipis na film solar cells, na ang susunod na henerasyon ng solar technology. Tulad ng nagmungkahi ng kanilang pangalan, ang manipis na film solar cells ay ginawa sa pamamagitan ng paglalagay ng manipis na layer ng solar absorbent na materyal sa isang substrate, tulad ng salamin o plastic, na kadalasang maaaring maging kakayahang umangkop.

Ang mga solar cell ay gumagamit ng mas kaunting materyal, kaya mas mababa ang mga ito kaysa sa mala-kristal na solar cells na ginawa mula sa silikon. Hindi posible na magsuot ng kristal na silikon sa isang nababaluktot na substrate, kaya kailangan namin ng ibang materyal upang magamit bilang isang solar absorber.

Bagaman ang manipis na film solar technology ay mabilis na nagpapabuti, ang ilan sa mga materyales sa manipis na film solar cells ngayon ay mahirap makuha o mapanganib. Halimbawa, ang kadmyum sa CdTe ay lubhang nakakalason sa lahat ng nabubuhay na bagay at kilala na maging sanhi ng kanser sa mga tao. Ang CdTe ay maaaring paghiwalayin sa cadmium at tellurium sa mataas na temperatura (halimbawa, sa isang laboratoryo o housefire), posing isang malubhang panganib na paglanghap.

Kami ay nagtatrabaho sa pyrite at CZTS dahil sila ay nontoxic at napaka murang. Ang mga CZTS ay nagkakahalaga ng tungkol sa 0.005 cents kada wat, at mga gastos sa pyrite isang halos 0.000002 cents kada wat. Sila rin ay kabilang sa mga pinaka-masagana materyales sa Earth's crust, at absorb ang nakikita spectrum ng sikat ng araw mahusay. Ang mga pelikulang ito ay maaaring maging manipis bilang 1 / 1000th ng isang milimetro.

Pagsubok CZTS solar cells sa ilalim ng kunwa ng sikat ng araw.
Tara Dhakal / Binghamton University, Nagbigay ang May-akdaKailangan nating gawing kristal ang mga materyales na ito bago tayo makagawa ng mga ito sa mga solar cell. Ginagawa ito sa pamamagitan ng pagpainit sa kanila. Ang CZTS ay kristal sa mga temperatura sa ilalim ng 600 degree Celsius, kumpara sa 1,200 degrees Celsius o mas mataas para sa silikon, na ginagawang mas mura ang proseso. Nagsasagawa ito ng tulad ng mataas na kahusayan ng tansong indium gallium selenide (CIGS) na solar cells, na kung saan ay available sa komersyo ngayon, ngunit pinapalitan ang indium at galyum sa mga selulang ito na may mas mura at mas masaganang sink at lata.

Gayunpaman, sa ngayon, ang CZTS solar cells ay medyo hindi mabisa: nagkakabisa ang mga ito nang mas mababa kaysa 13 porsiyento ng sikat ng araw na babagsak sa kanila sa elektrisidad, kumpara sa 20 porsiyento para sa mas mahal na CIGS solar cells.

Alam namin na ang CZTS solar cells ay may potensyal na maging 30 porsyento mahusay. Ang mga pangunahing hamon ay 1) pagsasama ng mataas na kalidad na CZTS manipis na pelikula nang walang anumang bakas ng mga impurities, at 2) sa paghahanap ng isang angkop na materyal para sa "buffer" layer sa ilalim nito, na tumutulong upang mangolekta ng mga singil na electric na lumilikha ng sikat ng araw sa layer ng absorber. Ang aming lab ay gumawa ng isang CZTS manipis na pelikula na may pitong porsyento na kahusayan; inaasahan namin na diskarte 15 porsyento kahusayan sa lalong madaling panahon sa pamamagitan ng synthesizing mataas na kalidad na mga layer CZTS at paghahanap ng angkop na mga layer ng buffer.

Istraktura ng isang CZTS solar cell.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., May-akda na ibinigayPyrite ay isa pang potensyal na absorber na maaaring synthesize sa napakababang temperatura. Ang aming lab ay nakapag-synthesized ng pyrite thin films, at ngayon kami ay nagtatrabaho upang patongin ang mga pelikulang iyon sa solar cells. Hinahamon ang prosesong ito sapagkat madali ang pag-break ng pyrite kapag nalantad ito sa init at kahalumigmigan. Kami ay nagsasaliksik ng mga paraan upang gawin itong mas matatag na hindi naaapektuhan ang solar absorbency at mekanikal na mga katangian nito. Kung maaari naming malutas ang problemang ito, "ginto ng ginto" ay maaaring maging isang smart photovoltaic device.

Sa isang kamakailan-lamang na pag-aaral, ang mga mananaliksik sa Stanford University at sa University of California sa Berkeley ay tinatantya na maaaring magbigay ng solar power hanggang sa 45 porsiyento ng koryente ng US sa pamamagitan ng 2050. Upang matugunan ang target na iyon, kailangan naming panatilihing humimok ang gastos ng solar power at maghanap ng mga paraan upang maging mas matatag ang solar cells. Naniniwala kami na ang masagana, nontoxic na materyales ay susi upang matanto ang potensyal ng solar power.

Tungkol sa Ang May-akda

Tara P. Dhakal, Assistant Professor ng Electrical at Computer Engineering, Binghamton University, State University of New York. Ang kanyang pananaliksik interes ay sa renewable enerhiya, sa partikular na solar enerhiya. Ang layunin ng kanyang pananaliksik ay upang makamit ang solar cell technology na kapaligiran na benign at matipid na abot-kayang.

Ang artikulong ito ay orihinal na na-publish sa Ang pag-uusap. Basahin ang ang orihinal na artikulo.

Mga Kaugnay Books

at InnerSelf Market at Amazon