Современные солнечные технологии недостаточно хороши. Антонио Гарсия на Unsplash, FAL

Спрос на более дешевую и экологически чистую электроэнергию означает, что энергетический ландшафт меняется быстрее, чем когда-либо в истории. Это особенно верно в отношении электричество на солнечных батареях и аккумулятор. Стоимость обоих снизилась беспрецедентными темпами за последнее десятилетие, а также энергоэффективные технологии, такие как Светодиодное освещение также расширились.

Доступ к дешевой и повсеместной солнечной энергии и хранилищам изменит способ производства и использования энергии, что позволит электрифицировать транспортный сектор. Существует потенциал для новой химической экономики, в которой мы хранить возобновляемую энергию в качестве топлива, и поддерживать новые устройства, составляющие "Интернет вещей».

Но наши нынешние энергетические технологии не приведут нас в это будущее: мы скоро достигнем пределов эффективности и затрат. В потенциал для будущих сокращений Стоимость электричества из кремниевых солнечных батарей, например, ограничена. Производство каждой панели требует значительного количества энергии, и фабрики дорого строить. И хотя стоимость производства может быть немного уменьшена, стоимость солнечной установки сейчас преобладают статисты - установка, электромонтаж, электроника и тд.

Это означает, что существующие солнечные энергетические системы вряд ли будут удовлетворять требуемую долю наших глобальных потребностей в электроэнергии в 30 тераВт (ТВт) (сегодня они производят менее 1 ТВт). достаточно быстро для решения таких проблем, как изменение климата.

Точно так же наши нынешние светодиодные технологии освещения и отображения слишком дороги и не обладают достаточно хорошим качеством цвета, чтобы реально заменить традиционное освещение в достаточно короткие сроки. Это проблема, поскольку освещение в настоящее время составляет 5% выбросов углерода в мире. Чтобы восполнить этот пробел, нужны новые технологии, причем быстро.

Галогенидные перовскиты

Наша лаборатория в Кембридже, Англия, работает с новым многообещающим семейством материалов, известных как галогенидные перовскиты. Это полупроводники, проводящие заряды при воздействии света. Перовскитные чернила наносятся на стекло или пластик, образуя очень тонкие пленки - около одной сотой ширины человеческого волоса - из металлов, галогенидов и органических ионов. Эти пленки, зажатые между контактами электродов, создают солнечные батареи или светодиодные устройства.

Удивительно, но цвет света, который они поглощают или излучают, можно изменить, просто изменив их химическую структуру. Изменяя способ их выращивания, мы можем адаптировать их, чтобы они больше подходили для поглощения света (для солнечных батарей) или излучения света (для светодиода). Это позволяет нам изготавливать солнечные элементы и светодиоды разного цвета, излучающие свет от ультрафиолета до видимого и ближнего инфракрасного диапазона.

Несмотря на дешевизну и универсальность обработки, эти материалы показали высокую эффективность как в качестве солнечных элементов, так и в качестве излучателей света. Перовскитовые солнечные элементы хит Эффективность 25.2% в 2019 г., по пятам идут кристаллические кремниевые ячейки на 26.7%, а перовскитовые светодиоды уже приближается стандартные характеристики органических светодиодов (OLED).

Эти технологии быстро коммерциализируется, особенно на передней панели солнечных батарей. Британская компания Oxford Photovoltaics имеет построил производственную линию и выполняет свои первые заказы на поставку в начале 2021. Польская компания Saule Technologies выпустила прототипы продуктов в конце 2018 года, в том числе пилот перовскитового солнечного фасада. Китайский производитель Microquanta Semiconductor рассчитывает произвести более 200,000 квадратных метров панелей на своей производственной линии до конца года. Американская Swift Solar (компания, соучредителем которой я стал) является пионером высокая производительность клетки с легкими, гибкими свойствами.

Цветные перовскитные светоизлучающие чернила, которые можно лить на тонкие пленки. © Сандип Патхак, Автор условии

от эти и другие компании, наблюдается быстрый прогресс.

Солнечные окна и гибкие панели

В отличие от обычных кремниевых элементов, которые должны быть очень однородными для высокой эффективности, пленки перовскита состоят из мозаика «зерна» разного размера (от нанометров до миллиметров) и химического состава - и все же они работают почти так же хорошо, как лучшие сегодня кремниевые элементы. Более того, небольшие пятна или дефекты в перовскитных пленках не приводят к значительным потерям мощности. Такие дефекты были бы катастрофическими для кремниевой панели или промышленного светодиода.

Хотя мы все еще пытаемся понять это, эти материалы вынуждают сообщество переписать учебник для того, что мы считаем идеальным полупроводником: они могут иметь очень хорошие оптические и электронные свойства, несмотря на - или возможно даже из-за беспорядка.

Мы могли бы гипотетически использовать эти материалы для создания «дизайнерских» цветных солнечных элементов, которые гармонируют со зданиями или домами, или солнечных окон, которые выглядят как тонированное стекло, но генерируют мощностью.

Но реальная возможность заключается в разработке высокоэффективных элементов, превосходящих эффективность кремниевых элементов. Например, мы можем наложить две пленки перовскита разного цвета вместе в «Тандемный» солнечный элемент. Каждый слой будет собирать разные области солнечного спектра, увеличивая общую эффективность ячейки.

Другой пример - новаторские разработки Oxford PV: добавление слоя перовскита поверх стандартной кремниевой ячейки, что повышает эффективность существующей технологии. без значительных дополнительных затрат. Эти тандемные подходы могут быстро создать повышение эффективности солнечных панелей более 30%, что снизит затраты как на панели, так и на систему, а также энергетический след.

Эти слои перовскита также разрабатываются для производства гибких солнечных панелей, которые можно обрабатывать в рулонах, как газетную бумагу. сокращение расходов. Легкие и мощные солнечные батареи также открывают возможности для питания электромобилей и спутников связи.

Гибкий перовскитовый прототип солнечного элемента. Пламен Петков для журнала Scientific American

Для светодиодов перовскиты могут достичь фантастических результатов. качество цвета что может привести к продвинутым гибкие технологии отображения. Перовскиты также могут дать более дешевое и качественное белое освещение чем современные коммерческие светодиоды, с «цветовой температурой» земного шара, которую можно изготавливать, чтобы давать холодный или теплый белый свет или любой желаемый оттенок между ними. Они также создают ажиотаж как строительные блоки для квантовые компьютеры будущего, так же как Детекторы рентгеновского излучения для получения медицинских изображений и визуализации с очень низкими дозами облучения.

Хотя первые продукты уже появляются, проблемы все еще остаются. Одна из ключевых проблем демонстрирует долгосрочная стабильность. Но исследования многообещающие, и как только они будут решены, галогенидные перовскиты действительно смогут ускорить преобразование нашего производства и потребления энергии.

Об авторе

Сэм Стрэнкс, преподаватель энергетики и научный сотрудник Университета Королевского общества, Кембриджский университет

Эта статья переиздана из Беседа под лицензией Creative Commons. Прочтите оригинал статьи.

Книги по этой теме

Просадка: самый всеобъемлющий план, когда-либо предлагаемый для обратного глобального потепления

Пол Хокен и Том Стейер
Перед лицом широко распространенного страха и апатии международная коалиция исследователей, специалистов и ученых объединилась, чтобы предложить ряд реалистичных и смелых решений проблемы изменения климата. Здесь описаны сто методов и практик, некоторые из них хорошо известны; некоторые, о которых вы, возможно, никогда не слышали. Они варьируются от чистой энергии до обучения девочек в странах с низким уровнем дохода и практики землепользования, которая выбрасывает углерод из воздуха. Решения существуют, являются экономически жизнеспособными, и сообщества во всем мире в настоящее время принимают их с умением и решительностью. Доступно на Amazon

Проектирование климатических решений: руководство по политике для низкоуглеродной энергетики

Хэл Харви, Робби Орвис, Джеффри Риссман
Поскольку последствия изменения климата уже сказываются на нас, необходимость сокращения глобальных выбросов парниковых газов является не менее чем насущной. Это непростая задача, но технологии и стратегии для ее решения существуют сегодня. Небольшой набор энергетических политик, хорошо продуманных и реализованных, может направить нас на путь к низкоуглеродному будущему. Энергетические системы большие и сложные, поэтому энергетическая политика должна быть целенаправленной и рентабельной. Универсальные подходы просто не помогут. Директивным органам нужен четкий и всеобъемлющий ресурс, в котором излагается энергетическая политика, которая окажет наибольшее влияние на наше климатическое будущее, и описывается, как ее правильно разрабатывать. Доступно на Amazon

Это меняет все: Капитализм против Климатологической

Наоми Кляйн
In Это изменяет все Наоми Кляйн утверждает, что изменение климата - это не просто еще одна проблема, которую нужно аккуратно поставить между налогами и здравоохранением. Это тревога, которая призывает нас к налаживанию экономической системы, которая уже во многих отношениях подводит нас. Кляйн тщательно выверяет аргументы в пользу того, что массовое сокращение выбросов парниковых газов - это наш лучший шанс одновременно сократить неравенство, изменить наши разрушенные демократии и восстановить разрушенную местную экономику. Она разоблачает идеологическое отчаяние отрицателей изменения климата, мессианские заблуждения потенциальных геоинженеров и трагический пораженчество слишком многих основных зеленых инициатив. И она наглядно демонстрирует, почему рынок не смог - и не может - исправить климатический кризис, а вместо этого усугубит ситуацию, применяя все более экстремальные и экологически разрушительные методы добычи, сопровождаемые безудержным капитализмом бедствий. Доступно на Amazon

От издателя:
Покупки на Amazon идут, чтобы покрыть стоимость привлечения вас InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, и ClimateImpactNews.com бесплатно и без рекламодателей, которые отслеживают ваши привычки просмотра. Даже если вы нажмете на ссылку, но не купите эти выбранные продукты, все остальное, что вы купите в этом же посещении Amazon, платит нам небольшую комиссию. Никаких дополнительных затрат для вас нет, поэтому, пожалуйста, внесите свой вклад. Вы также можете воспользоваться этой ссылкой использовать в Amazon в любое время, чтобы вы могли помочь поддержать наши усилия.