Солнечные панели на крыше Walmart, Mountain View, Калифорния.
Walmart / Flickr, CC BY

Глобальный спрос на энергию растет с каждым часом, когда развивающиеся страны стремятся к индустриализации. По оценкам экспертов, к году 2050 мировой спрос на электроэнергию может достигнуть 30 terawatts (TW). Для перспективы один тераватт примерно равен мощности 1.3 миллиардов лошадей.

Энергия от солнца безгранична - солнце дает нам мощность 120,000 TW в любой момент - и это бесплатно. Но сегодня солнечная энергия обеспечивает только около одного процента мирового электричества. Критическая проблема заключается в том, чтобы сделать менее затратным преобразование фотоэнергии в полезную электрическую энергию.

Для этого нам нужно найти материалы, которые поглощают солнечный свет и эффективно преобразуют его в электричество. Кроме того, мы хотим, чтобы эти материалы были изобилующими, экологически безопасными и экономичными для изготовления солнечных батарей.

Исследователи со всего мира работают над разработкой технологий солнечных батарей, которые являются эффективными и доступными. Цель состоит в том, чтобы принести стоимость установки солнечного электричества ниже USN 1 на ватт, по сравнению с около $ 3 за ватт сегодня.

В университете Бингемтона Центр автономной солнечной энергии (CASP), мы изучаем способы создания тонкопленочных солнечных элементов с использованием материалов, которые в изобилии по природе и нетоксичны. Мы хотим разработать солнечные элементы, которые являются надежными, высокоэффективными при преобразовании солнечного света в электричество и недорогом в производстве. Мы определили два материала, которые обладают большим потенциалом в качестве солнечных поглотителей: пирит, более известный как золото дурака из-за его металлического блеска; и медно-цинково-оловянно-сульфидный (CZTS).

Поиск идеального материала

Сегодняшние коммерческие солнечные элементы изготавливаются из одного из трех материалов: кремния, теллурида кадмия (CdTe) и медно-индий-галлий-селенида (CIGS). У каждого есть свои сильные и слабые стороны.

Кремниевые солнечные элементы очень эффективны, превращаясь в 25 процентов солнечного света, который падает на них в электричество, и очень долговечен. Однако очень важно обрабатывать кремний в пластинах. И эти пластины должны быть очень толстыми (около 0.3 миллиметров, что толще для солнечных элементов), чтобы поглотить весь солнечный свет, который падает на них, что еще больше увеличивает затраты.

Кремниевые солнечные элементы, часто называемые солнечными батареями первого поколения, используются в панелях, которые стали знакомыми для крыш. Наш центр изучает еще один тип, называемый тонкопленочными солнечными батареями, которые являются следующим поколением солнечных технологий. Как следует из их названия, тонкопленочные солнечные элементы изготавливаются путем нанесения тонкого слоя солнечного поглощающего материала на подложку, такого как стекло или пластик, которые обычно могут быть гибкими.

Эти солнечные элементы используют меньше материала, поэтому они дешевле, чем кристаллические солнечные элементы, изготовленные из кремния. Нельзя покрывать кристаллический кремний на гибкой подложке, поэтому нам нужен другой материал для использования в качестве солнечного поглотителя.

Хотя тонкопленочные солнечные технологии быстро улучшаются, некоторые из материалов в современных тонкопленочных солнечных батареях являются скудными или опасными. Например, кадмий в CdTe очень токсичен для всех живых организмов и, как известно, вызывает рак у людей. CdTe может выделяться в кадмий и теллур при высоких температурах (например, в лаборатории или дома), что создает серьезный риск при вдыхании.

Мы работаем с пиритом и CZTS, потому что они нетоксичны и очень недороги. CZTS стоит около 0.005 центов на ватт, а стоимость пирита простой 0.000002 центов на ватт, Они также являются одними из самых распространенных материалов в земной коре и эффективно поглощают видимый спектр солнечного света. Эти пленки могут быть такими же тонкими, как 1 / 1000th миллиметра.

Тестирование солнечных элементов CZTS при моделированном солнечном свете.
Тара Дхакал / Университет Бингемтона, автор предоставилНам нужно кристаллизовать эти материалы, прежде чем мы сможем изготовить их в солнечные элементы. Это делается путем их нагрева. CZTS кристаллизуется при температурах в диапазоне 600 по Цельсию, по сравнению с 1,200 градусами Цельсия или выше для кремния, что делает его менее дорогостоящим процессом. Он очень похож на высокоэффективные солнечные элементы из селенида галлия меди (CIGS), которые сейчас имеются в продаже, но заменяет индий и галлий в этих ячейках более дешевым и более обильным цинком и оловом.

Тем не менее, солнечные элементы CZTS относительно неэффективны: они конвертируют меньше, чем 13 процентов солнечного света, который падает на них на электричество, по сравнению с 20 процентами для более дорогих солнечных элементов CIGS.

Мы знаем, что солнечные элементы CZTS могут быть эффективными на 30. Основными проблемами являются 1), синтезирующий высококачественную тонкую пленку CZTS без каких-либо следов примесей, и 2) нахождение подходящего материала для «буферного» слоя под ним, что помогает собирать электрические заряды, создаваемые солнечным светом в слое поглотителя. Наша лаборатория выпустила тонкую пленку CZTS с семипроцентная эффективность; мы надеемся вскоре приблизиться к эффективности 15 процентов за счет синтеза высококачественных слоев CZTS и поиска подходящих буферных слоев.

Структура солнечного элемента CZTS.
Тара Дхакал / Binghamton Univ., Автор предоставилПирит - еще один потенциальный поглотитель, который может быть синтезирован при очень низких температурах. Наша лаборатория синтезировала тонкие пленки пирита, и теперь мы работаем над тем, чтобы слить эти пленки в солнечные элементы. Этот процесс является сложным, потому что пирит легко ломается, когда он подвергается воздействию тепла и влаги. Мы исследуем способы сделать его более стабильным, не влияя на его солнечную поглощающую способность и механические свойства. Если мы сможем решить эту проблему, «золото дурака» может превратиться в интеллектуальное фотоэлектрическое устройство.

В недавнем исследовании исследователи из Стэнфордского университета и Калифорнийского университета в Беркли подсчитали, что солнечная энергия может обеспечить до 45 процентов электроэнергии США 2050. Чтобы соответствовать этой цели, нам нужно продолжать снижать затраты на солнечную энергию и находить способы сделать солнечные батареи более устойчивыми. Мы считаем, что обильные нетоксичные материалы являются ключевыми для реализации потенциала солнечной энергии.

Об авторе

Тара П. Дакаль, доцент кафедры электротехники и вычислительной техники, Университет Бингемтона, Государственный университет Нью-Йорка. Его исследовательский интерес связан с возобновляемыми источниками энергии, в частности с солнечной энергией. Его исследовательская цель - достичь технологии солнечных батарей, которая является экологически чистой и экономически доступной.

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

Книги по этой теме

at Внутренний рынок самовыражения и Amazon