Ηλιακά πάνελ σε στέγη Walmart, Mountain View, Καλιφόρνια.
Walmart / Flickr, CC BY

Η παγκόσμια ζήτηση για ενέργεια αυξάνεται κάθε ώρα καθώς οι αναπτυσσόμενες χώρες κινούνται προς την εκβιομηχάνιση. Οι ειδικοί εκτιμούν ότι μέχρι το έτος 2050, η παγκόσμια ζήτηση ηλεκτρικής ενέργειας μπορεί να φτάσει 30 τεραβάτ (TW). Για προοπτική, ένα terawatt είναι περίπου ίσο με την ισχύ 1.3 δισεκατομμυρίων αλόγων.

Η ενέργεια από τον ήλιο είναι απεριόριστη - ο ήλιος μας παρέχει 120,000 TW ισχύ ανά πάσα στιγμή - και είναι δωρεάν. Αλλά σήμερα η ηλιακή ενέργεια παρέχει μόνο περίπου το ένα τοις εκατό της ηλεκτρικής ενέργειας του κόσμου. Η κρίσιμη πρόκληση καθιστά λιγότερο δαπανηρή τη μετατροπή της φωτογραφικής ενέργειας σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια.

Για να γίνει αυτό, πρέπει να βρούμε υλικά που απορροφούν το φως του ήλιου και το μετατρέπουν σε ηλεκτρική ενέργεια αποτελεσματικά. Επιπλέον, θέλουμε αυτά τα υλικά να είναι άφθονα, φιλικά προς το περιβάλλον και οικονομικά αποδοτικά για να κατασκευαστούν σε ηλιακές συσκευές.

Ερευνητές από όλο τον κόσμο εργάζονται για την ανάπτυξη τεχνολογιών ηλιακών κυψελών που είναι αποδοτικές και προσιτές. Ο στόχος είναι να μειωθεί το κόστος εγκατάστασης της ηλιακής ηλεκτρικής ενέργειας κάτω από 1 $ ανά watt, σε σύγκριση με περίπου $ 3 ανά watt σήμερα.

Στο Πανεπιστήμιο Binghamton Κέντρο Αυτόνομης Ηλιακής Ενέργειας (CASP), ερευνούμε τρόπους για την κατασκευή ηλιακών κυψελών λεπτής μεμβράνης χρησιμοποιώντας υλικά που είναι άφθονα στη φύση και μη τοξικά. Θέλουμε να αναπτύξουμε ηλιακά κύτταρα που είναι αξιόπιστα, πολύ αποδοτικά στη μετατροπή του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια και φθηνά στην κατασκευή. Έχουμε εντοπίσει δύο υλικά που έχουν μεγάλες δυνατότητες ως ηλιακοί απορροφητές: ο πυρίτης, πιο γνωστός ως χρυσός ανόητου λόγω της μεταλλικής του λάμψης. και χαλκός-ψευδάργυρος-κασσίτερος-σουλφίδιο (CZTS).

Αναζητώντας το ιδανικό υλικό

Τα σημερινά εμπορικά ηλιακά κύτταρα είναι κατασκευασμένα από ένα από τα τρία υλικά: πυρίτιο, τελλουρίδιο καδμίου (CdTe) και χαλκό-ινδιο-γάλλιο-σεληνίδιο (CIGS). Το καθένα έχει δυνατά και αδύνατα σημεία.

Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου είναι εξαιρετικά αποδοτικά, μετατρέποντας έως και το 25 % του ηλιακού φωτός που πέφτει πάνω τους σε ηλεκτρική ενέργεια και πολύ ανθεκτικά. Ωστόσο, είναι πολύ δαπανηρή η επεξεργασία πυριτίου σε γκοφρέτες. Και αυτές οι γκοφρέτες πρέπει να είναι πολύ παχιές (περίπου 0.3 χιλιοστά, το οποίο είναι παχύ για τα ηλιακά κύτταρα) για να απορροφήσουν όλο το ηλιακό φως που πέφτει πάνω τους, γεγονός που αυξάνει περαιτέρω το κόστος.

Τα ηλιακά κύτταρα πυριτίου-συχνά αναφέρονται ως ηλιακά κύτταρα πρώτης γενιάς-χρησιμοποιούνται στα πάνελ που έχουν γίνει γνωστά αξιοθέατα στις στέγες. Το κέντρο μας μελετά έναν άλλο τύπο που ονομάζεται ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης, τα οποία αποτελούν την επόμενη γενιά ηλιακής τεχνολογίας. Όπως υποδηλώνει το όνομά τους, τα ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης κατασκευάζονται τοποθετώντας ένα λεπτό στρώμα ηλιακού απορροφητικού υλικού πάνω από ένα υπόστρωμα, όπως γυαλί ή πλαστικό, το οποίο συνήθως μπορεί να είναι εύκαμπτο.

Αυτά τα ηλιακά κύτταρα χρησιμοποιούν λιγότερο υλικό, επομένως είναι λιγότερο ακριβά από τα κρυσταλλικά ηλιακά κύτταρα κατασκευασμένα από πυρίτιο. Δεν είναι δυνατή η επικάλυψη κρυσταλλικού πυριτίου σε εύκαμπτο υπόστρωμα, οπότε χρειαζόμαστε ένα διαφορετικό υλικό για χρήση ως ηλιακό απορροφητή.

Παρόλο που η ηλιακή τεχνολογία λεπτής μεμβράνης βελτιώνεται ραγδαία, μερικά από τα υλικά στα σημερινά ηλιακά κύτταρα λεπτής μεμβράνης είναι λιγοστά ή επικίνδυνα. Για παράδειγμα, το κάδμιο στο CdTe είναι εξαιρετικά τοξικό για όλα τα έμβια όντα και είναι γνωστό ότι προκαλεί καρκίνο στους ανθρώπους. Το CdTe μπορεί να χωριστεί σε κάδμιο και τελλούριο σε υψηλές θερμοκρασίες (για παράδειγμα, σε εργαστήριο ή φωτιά στο σπίτι), δημιουργώντας σοβαρό κίνδυνο εισπνοής.

Δουλεύουμε με πυρίτη και CZTS επειδή είναι μη τοξικά και πολύ φθηνά. Το CZTS κοστίζει περίπου 0.005 λεπτά ανά watt και το κόστος του πυρίτη μόλις 0.000002 λεπτά ανά wattΕ Είναι επίσης από τα πιο άφθονα υλικά στον φλοιό της Γης και απορροφούν αποτελεσματικά το ορατό φάσμα του ηλιακού φωτός. Αυτές οι μεμβράνες μπορεί να είναι τόσο λεπτές όσο το 1/1000 του χιλιοστού.

Δοκιμή ηλιακών κυττάρων CZTS υπό προσομοίωση ηλιακού φωτός.
Tara Dhakal/Πανεπιστήμιο Binghamton, Παρέχεται συγγραφέαςΠρέπει να κρυσταλλώσουμε αυτά τα υλικά πριν μπορέσουμε να τα κατασκευάσουμε σε ηλιακά κύτταρα. Αυτό γίνεται με θέρμανση τους. Το CZTS κρυσταλλώνεται σε θερμοκρασίες κάτω των 600 βαθμών Κελσίου, έναντι 1,200 βαθμών Κελσίου ή υψηλότερων για το πυρίτιο, γεγονός που καθιστά λιγότερο δαπανηρή την επεξεργασία. Λειτουργεί σαν ηλιακά κύτταρα ινδίου γαλλίου χαλκού υψηλής απόδοσης (CIGS), τα οποία είναι εμπορικά διαθέσιμα τώρα, αλλά αντικαθιστά το ίνδιο και το γάλλιο σε αυτά τα κελιά με φθηνότερο και πιο άφθονο ψευδάργυρο και κασσίτερο.

Μέχρι στιγμής, ωστόσο, τα ηλιακά κύτταρα CZTS είναι σχετικά αναποτελεσματικά: μετατρέπονται λιγότερο από 13 τοις εκατό του ηλιακού φωτός που πέφτει πάνω τους σε ηλεκτρικό ρεύμα, σε σύγκριση με 20 τοις εκατό για πιο ακριβά ηλιακά κύτταρα CIGS.

Γνωρίζουμε ότι τα ηλιακά κύτταρα CZTS έχουν τη δυνατότητα να είναι 30 τοις εκατό αποτελεσματικά. Οι κύριες προκλήσεις είναι 1) σύνθεση λεπτής μεμβράνης υψηλής ποιότητας CZTS χωρίς ίχνη ακαθαρσιών και 2) εύρεση κατάλληλου υλικού για το «ρυθμιστικό» στρώμα από κάτω του, το οποίο βοηθά στη συλλογή των ηλεκτρικών φορτίων που δημιουργεί το φως του ήλιου στο στρώμα απορρόφησης. Το εργαστήριό μας παρήγαγε μια λεπτή μεμβράνη CZTS με επτά τοις εκατό αποτελεσματικότητα? ελπίζουμε να προσεγγίσουμε 15 % αποτελεσματικότητα σύντομα με σύνθεση στρώσεων CZTS υψηλής ποιότητας και εύρεση κατάλληλων επιπέδων buffer.

Δομή ενός ηλιακού κυττάρου CZTS.
Tara Dhakal/Binghamton Univ., Παρέχεται συγγραφέαςΟ πυρίτης είναι ένας άλλος πιθανός απορροφητής που μπορεί να συντεθεί σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες. Το εργαστήριό μας έχει συνθέσει λεπτές μεμβράνες πυρίτη και τώρα εργαζόμαστε για να στρώσουμε αυτά τα φιλμ σε ηλιακά κύτταρα. Αυτή η διαδικασία είναι προκλητική επειδή ο πυρίτης διασπάται εύκολα όταν εκτίθεται σε θερμότητα και υγρασία. Ερευνούμε τρόπους για να το κάνουμε πιο σταθερό χωρίς να επηρεάζουμε την ηλιακή απορροφητικότητα και τις μηχανικές του ιδιότητες. Αν μπορέσουμε να λύσουμε αυτό το πρόβλημα, το «χρυσό του ανόητου» θα μπορούσε να μετατραπεί σε έξυπνη φωτοβολταϊκή συσκευή.

Σε μια πρόσφατη μελέτη, ερευνητές του Πανεπιστημίου Στάνφορντ και του Πανεπιστημίου της Καλιφόρνιας στο Μπέρκλεϊ εκτίμησαν ότι η ηλιακή ενέργεια θα μπορούσε να προσφέρει έως το 45% της ηλεκτρικής ενέργειας των ΗΠΑ έως το 2050. Για να επιτύχουμε αυτόν τον στόχο, πρέπει να συνεχίσουμε να μειώνουμε το κόστος της ηλιακής ενέργειας και να βρίσκουμε τρόπους για να κάνουμε τα ηλιακά κύτταρα πιο βιώσιμα. Πιστεύουμε ότι τα άφθονα, μη τοξικά υλικά είναι το κλειδί για τη συνειδητοποίηση των δυνατοτήτων της ηλιακής ενέργειας.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Tara P. Dhakal, Επίκουρη Καθηγήτρια Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Μηχανικών Υπολογιστών, Πανεπιστήμιο Binghamton, State University of New York. Το ερευνητικό του ενδιαφέρον αφορά τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, ιδιαίτερα την ηλιακή ενέργεια. Ο ερευνητικός του στόχος είναι να επιτύχει τεχνολογία ηλιακών κυψελών που είναι φιλική προς το περιβάλλον και οικονομικά προσιτή.

Αυτό το άρθρο δημοσιεύθηκε αρχικά στις Η Συνομιλία. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Σχετικά βιβλία

at InnerSelf Market και Amazon