Design af en sol presenning, en foldbar, pakbar måde at generere strøm fra solen

Det energigenererende potentiale af solpaneler – og en vigtig begrænsning for deres brug – er et resultat af, hvad de er lavet af. Paneler lavet af silicium falder i pris, så de nogle steder kan levere elektricitet, der koster omtrent det samme som strøm fra fossile brændstoffer som kul og naturgas. Men silicium solpaneler er også omfangsrige, stiv og skør, så de kan ikke bruges hvor som helst.

I mange dele af verden, der ikke har almindelig elektricitet, solpaneler kunne give læselys efter mørkets frembrud og energi til at pumpe drikkevand, hjælpe med at drive små husstands- eller landsbybaserede virksomheder eller endda betjene nødherberger og flygtningelejre. Men den mekaniske skrøbelighed, tyngde og transportvanskeligheder ved siliciumsolpaneler tyder på, at silicium måske ikke er ideelt.

Bygger på andres arbejde, min forskergruppe arbejder på at udvikle fleksible solpaneler, hvilket ville være lige så effektivt som et siliciumpanel, men ville være tynd, let og bøjelig. Den slags enheder, som vi kalder en "soltarp, "kan spredes ud til størrelsen af ​​et rum og generere elektricitet fra solen, og det kunne kugles sammen til at være på størrelse med en grapefrugt og fyldes i en rygsæk så mange som 1, 000 gange uden at gå i stykker. Mens der har været en vis indsats for at gøre organiske solceller mere fleksible blot ved at gøre dem ultratynde, ægte holdbarhed kræver en molekylær struktur, der gør solpanelerne strækbare og seje.

Silicium halvledere

Silicium er afledt af sand, hvilket gør det billigt. Og den måde, dens atomer pakkes sammen i et fast materiale, gør den til en god halvleder, hvilket betyder, at dens ledningsevne kan tændes og slukkes ved hjælp af elektriske felter eller lys. Fordi det er billigt og nyttigt, silicium er grundlaget for mikrochips og printkort i computere, mobiltelefoner og stort set al anden elektronik, sende elektriske signaler fra en komponent til en anden. Silicium er også nøglen til de fleste solpaneler, fordi den kan omdanne energien fra lys til positive og negative ladninger. Disse ladninger flyder til de modsatte sider af en solcelle og kan bruges som et batteri.

Men dens kemiske egenskaber betyder også, at den ikke kan omdannes til fleksibel elektronik. Silicium absorberer ikke lys særlig effektivt. Fotoner kan passere lige gennem et siliciumpanel, der er for tyndt, så de skal være ret tykke – omkring 100 mikrometer, omkring tykkelsen af ​​en dollarseddel – så intet af lyset går til spilde.

Næste generation af halvledere

Men forskere har fundet andre halvledere, der er meget bedre til at absorbere lys. En gruppe materialer, kaldet "perovskites, "kan bruges til at lave solceller, der er næsten lige så effektive som silicium, men med lysabsorberende lag, der er en tusindedel af den nødvendige tykkelse med silicium. Som resultat, forskere arbejder på at bygge perovskit-solceller, der kan drive små ubemandede fly og andre enheder, hvor vægtreduktion er en nøglefaktor.

Nobelprisen i kemi i 2000 blev tildelt de forskere, der først fandt ud af, at de kunne lave en anden type ultratynd halvleder, kaldet en halvledende polymer. Denne type materiale kaldes en "organisk halvleder", fordi den er baseret på kulstof, og det kaldes en "polymer", fordi det består af lange kæder af organiske molekyler. Organiske halvledere bruges allerede kommercielt, inklusive i milliard-dollarindustrien af ​​organiske lysdiodeskærme, bedre kendt som OLED-tv.

Polymerhalvledere er ikke så effektive til at omdanne sollys til elektricitet som perovskiter eller silicium, men de er meget mere fleksible og potentielt ekstraordinært holdbare. Almindelige polymerer – ikke de halvledende – findes overalt i dagligdagen; de er molekylerne, der udgør stof, plastik og maling. Polymerhalvledere har potentialet til at kombinere de elektroniske egenskaber af materialer som silicium med plastiks fysiske egenskaber.

Det bedste fra begge verdener:Effektivitet og holdbarhed

Afhængigt af deres struktur, plast har en lang række egenskaber – herunder både fleksibilitet, som med en presenning; og stivhed, ligesom karrosseripanelerne på nogle biler. Halvledende polymerer har stive molekylære strukturer, og mange er sammensat af bittesmå krystaller. Disse er nøglen til deres elektroniske egenskaber, men har en tendens til at gøre dem skøre, hvilket ikke er en ønskværdig egenskab for hverken fleksible eller stive emner.

Min gruppes arbejde har været fokuseret på at identificere måder at skabe materialer med både gode halvledende egenskaber og den holdbarhed plast er kendt for – uanset om det er fleksibelt eller ej. Dette vil være nøglen til min idé om en soltarp eller et tæppe, men kan også føre til tagmaterialer, udendørs gulvfliser eller måske endda overfladerne på veje eller parkeringspladser.

Dette arbejde vil være nøglen til at udnytte styrken af ​​sollys – fordi, trods alt, sollyset, der rammer Jorden på en enkelt time, indeholder mere energi, end hele menneskeheden bruger på et år.

Denne artikel blev oprindeligt publiceret på The Conversation. Læs den originale artikel.