Небольшой кусок прототипа солнечного брезента. Калифорнийский университет в Сан-Диего, CC BY-ND

Энергетический потенциал солнечных панелей - и ключевое ограничение их использования - является результатом того, из чего они сделаны. Панели из кремния снижаются в цене, так что в некоторых местах они могут обеспечить электроэнергией, которая затраты примерно такие же, как мощность от ископаемых видов топлива как уголь и природный газ. Но кремниевые солнечные панели также громоздкие, жесткие и хрупкие, поэтому их нельзя использовать нигде.

Во многих частях мира, которые не имеют регулярного электричества, солнечные батареи могут обеспечить чтение света после темноты и энергии насос питьевой воды, Помогите власть малого домашнего или деревенского бизнеса или даже служить приюты для беженцев и лагеря для беженцев, Но механическая хрупкость, тяжести и трудности транспортировки кремниевых солнечных батарей свидетельствуют о том, что кремний может быть не идеальным.

Опираясь на работа других, моя исследовательская группа работает над разработать гибкие солнечные панели, который будет столь же эффективен, как и силиконовая панель, но будет тонким, легким и гибким. Это устройство, которое мы называем "солнечный брезент, «Можно было бы разложить до размера комнаты и выработать электричество от солнца, и его можно было бы закрепить до размера грейпфрута и набить в рюкзак столько же, сколько 1,000 раз, не сломавшись. Хотя некоторые попытки сделать органические солнечные элементы более гибкими, делая их ультратонкими, реальная долговечность требует молекулярной структуры, которая делает солнечные панели растяжимыми и жесткими.

Кремниевые полупроводники

Кремний получается из песка, что делает его дешевым. И то, как его атомы упаковывают в твердый материал, делает его хорошим полупроводником, что означает, что его проводимость может быть включена и выключена с использованием электрических полей или света. Потому что это дешево и полезно, кремний является основой для микрочипов и плат в компьютерах, мобильные телефоны и в основном все остальные электроники, передающие электрические сигналы от одного компонента к другому. Кремний также является ключом к большинству солнечных панелей, поскольку он может преобразовывать энергию из света в положительные и отрицательные заряды. Эти заряды поступают на противоположные стороны солнечного элемента и могут использоваться как аккумулятор.

Но его химические свойства также означают, что он не может быть превращен в гибкую электронику. Кремний не очень эффективно поглощает свет. Фотоны могут проходить прямо через силиконовую панель, которая слишком тонкая, поэтому они должны быть довольно толстыми - вокруг микрометров 100, о толщине долларовой купюры - так что ни один из света не пропадет.

Полупроводники следующего поколения

Но исследователи нашли другие полупроводники, которые намного лучше поглощают свет. Одна группа материалов, называемая "перовскитами, "Могут быть использованы для создания солнечных элементов, которые почти такие же эффективные, как кремниевые, но с светопоглощающими слоями, которые составляют одну тысячную толщину, требуемую для кремния. В результате исследователи работают над созданием перовскитовые солнечные элементы, которые могут приводить в действие небольшие беспилотные летательные аппараты и другие устройства, в которых снижение веса является ключевым фактором.

Ассоциация 2000 Нобелевская премия по химии была присуждена исследователям, которые впервые обнаружили, что они могут сделать другой тип ультратонкого полупроводника, называемый полупроводниковым полимером. Этот тип материала называется «органическим полупроводником», потому что он основан на углероде, и он называется «полимером», потому что он состоит из длинных цепей органических молекул. Органические полупроводники уже используются на коммерческой основе, в том числе в миллиардная промышленность of органические светодиодные дисплеи, более известный как OLED телевизоры.

Полимерные полупроводники не так эффективны при преобразовании солнечного света в электричество, как перовскиты или кремний, но они намного больше гибкий и потенциально необычайно прочный, Обычные полимеры - не полупроводниковые - встречаются повсюду в повседневной жизни; это молекулы, которые составляют ткань, пластик и краску. Полимерные полупроводники обладают потенциалом для объединения электронных свойств материалов, таких как кремний, с физическими свойствами пластика.

Лучшее из обоих миров: эффективность и долговечность

В зависимости от их структуры, пластмассы обладают широким спектром свойств, включая как гибкость, так и брезент; и жесткость, как панели кузова некоторых автомобилей. Полупроводниковые полимеры имеют жесткие молекулярные структуры, и многие из них состоят из крошечных кристаллов. Они являются ключевыми для их электронных свойств, но, как правило, делают их хрупкими, что не является желательным атрибутом для гибких или жестких предметов.

Работа моей группы была сосредоточена на определении способов создания материалов с хорошими полупроводниковыми свойствами и долговечностью пластмассы известны - гибкими или нет. Это будет ключом к моей идее солнечного брезента или одеяла, но также может привести к кровельным материалам, напольным плиткам или, возможно, даже поверхностям дорог или парковкам.

Эта работа будет ключом к использованию силы солнечного света - потому что, в конце концов, солнечный свет, поражающий Землю за один час, содержит больше энергии, чем все человечество использует за год.

Об авторе

Даррен Липоми, профессор наноинженерии, Университета Калифорнии в Сан-Диего

Эта статья изначально была опубликована в Беседа, Прочтите оригинал статьи.

Книги по этой теме

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon