Οι τρέχουσες ηλιακές τεχνολογίες δεν είναι αρκετά καλές. Ο Antonio Garcia στο Unsplash, FAL

Η ζήτηση για φθηνότερη, πιο πράσινη ηλεκτρική ενέργεια σημαίνει ότι το ενεργειακό τοπίο αλλάζει γρηγορότερα από οποιοδήποτε άλλο σημείο της ιστορίας. Αυτό ισχύει ιδιαίτερα για ηλιακή ενέργεια και αποθήκευση μπαταρίας. Το κόστος και των δύο μειώθηκε σε πρωτοφανή ποσοστά κατά την τελευταία δεκαετία και ενεργειακά αποδοτικές τεχνολογίες όπως LED φωτισμού έχουν επίσης επεκταθεί.

Η πρόσβαση σε φτηνή και πανταχού παρούσα ηλιακή ενέργεια και αποθήκευση θα μεταμορφώσει τον τρόπο παραγωγής και χρήσης ενέργειας, επιτρέποντας την ηλεκτροδότηση του τομέα των μεταφορών. Υπάρχουν δυνατότητες για νέες χημικές οικονομίες στις οποίες εμείς αποθηκεύουν τις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ως καύσιμακαι υποστηρίζουν νέες συσκευές που αποτελούν ένα "Ίντερνετ των πραγμάτων".

Αλλά οι τρέχουσες ενεργειακές τεχνολογίες μας δεν θα μας οδηγήσουν σε αυτό το μέλλον: σύντομα θα φτάσουμε τα όρια αποδοτικότητας και κόστους. ο πιθανές μελλοντικές μειώσεις στο κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας από πυρίτιο ηλιακό, για παράδειγμα, είναι περιορισμένο. Η κατασκευή κάθε πάνελ απαιτεί δίκαιη ποσότητα ενέργειας και τα εργοστάσια είναι ακριβά στην κατασκευή. Και παρόλο που το κόστος παραγωγής μπορεί να μειωθεί λίγο περισσότερο, το κόστος μιας ηλιακής εγκατάστασης είναι τώρα κυριαρχείται από τα έξτρα - εγκατάσταση, καλωδίωση, ηλεκτρονικά και ούτω καθεξής.

Αυτό σημαίνει ότι τα τρέχοντα συστήματα ηλιακής ενέργειας είναι απίθανο να πληρούν το απαιτούμενο κλάσμα των παγκόσμιων απαιτήσεων ισχύος 30 TeraWatt (TW) (παράγουν λιγότερα από 1 TW σήμερα) αρκετά γρήγορα για την αντιμετώπιση ζητημάτων όπως η κλιματική αλλαγή.

Ομοίως, οι τρέχουσες τεχνολογίες φωτισμού και οθόνης LED είναι πολύ ακριβές και δεν έχουν αρκετά καλή ποιότητα χρώματος για να αντικαταστήσουν ρεαλιστικά τον παραδοσιακό φωτισμό σε αρκετά σύντομο χρονικό διάστημα. Αυτό είναι ένα πρόβλημα, καθώς ο φωτισμός αντιστοιχεί σήμερα 5% των παγκόσμιων εκπομπών άνθρακα. Απαιτούνται νέες τεχνολογίες για να καλυφθεί αυτό το κενό και γρήγορα.

Χαλιδέ περοβσκίτες

Το εργαστήριό μας στο Κέιμπριτζ, Αγγλία, συνεργάζεται με μια πολλά υποσχόμενη οικογένεια υλικών γνωστή ως υπεροβσκίτες αλογονιδίου. Είναι ημιαγωγοί, που μεταφέρουν φορτία όταν διεγείρονται με το φως. Τα μελάνια περοβσκίτη εναποτίθενται σε γυαλί ή πλαστικό για να κάνουν εξαιρετικά λεπτές μεμβράνες - περίπου το ένα εκατοστό του πλάτους μιας ανθρώπινης τρίχας - που αποτελούνται από μέταλλο, αλογονίδια και οργανικά ιόντα. Όταν τοποθετούνται μεταξύ των επαφών ηλεκτροδίων, αυτά τα φιλμ δημιουργούν ηλιακές κυψέλες ή συσκευές LED.

Εκπληκτικά, το χρώμα του φωτός που απορροφούν ή εκπέμπουν μπορεί να αλλάξει απλά τροποποιώντας τη χημική τους δομή. Αλλάζοντας τον τρόπο που τα μεγαλώνουμε, μπορούμε να τα προσαρμόσουμε ώστε να είναι πιο κατάλληλα για απορρόφηση φωτός (για ηλιακό πάνελ) ή για εκπομπή φωτός (για LED). Αυτό μας επιτρέπει να φτιάχνουμε ηλιακά κύτταρα διαφορετικού χρώματος και LED που εκπέμπουν φως από το υπεριώδες, μέχρι το ορατό και σχεδόν υπέρυθρο.

Παρά τη φθηνή και ευέλικτη επεξεργασία τους, αυτά τα υλικά έχουν αποδειχθεί ότι είναι εξαιρετικά αποτελεσματικά τόσο ως ηλιακά κύτταρα όσο και ως εκπομπές φωτός. Τα ηλιακά κύτταρα Perovskite χτυπήθηκαν Απόδοση 25.2% το 2019, καυτή στις φτέρνες των κρυσταλλικών κυψελών πυριτίου στο 26.7%, και τα LED perovskite είναι ήδη προσεγγίζοντας παραστάσεις εκτός της οργανικής δίοδος εκπομπής φωτός (OLED).

Αυτές οι τεχνολογίες είναι γρήγορα εμπορεύεται, ειδικά στο μπροστινό μέρος των ηλιακών κυψελών. Η Oxford Photovoltaics με έδρα το Ηνωμένο Βασίλειο έχει έχτισε μια γραμμή παραγωγής και συμπληρώνει τις πρώτες παραγγελίες αγοράς του στις αρχές του 2021. Η πολωνική εταιρεία Saule Technologies κυκλοφόρησε πρωτότυπα προϊόντα στο τέλος του 2018, συμπεριλαμβανομένου ενός πιλότος ηλιακής πρόσοψης perovskite. Ο κινέζος κατασκευαστής Microquanta Semiconductor αναμένει να παράγει περισσότερα από 200,000 τ.μ. πάνελ στη γραμμή παραγωγής του πριν από το τέλος του έτους. Η Swift Solar με έδρα στις ΗΠΑ πρωτοπορεί υψηλή απόδοση κύτταρα με ελαφριές, ευέλικτες ιδιότητες.

Χρωματιστά μελάνια που εκπέμπουν φως perovskite και μπορούν να απορριφθούν σε λεπτές μεμβράνες. © Sandeep Pathak, Συγγραφέας παρέχεται

Μεταξύ αυτές και άλλες εταιρείες, σημειώνεται ραγδαία πρόοδος.

Ηλιακά παράθυρα και εύκαμπτα πάνελ

Σε αντίθεση με τα συμβατικά κύτταρα πυριτίου, τα οποία πρέπει να είναι πολύ ομοιόμορφα για υψηλή απόδοση, αποτελούνται από μεμβράνες περοβσκίτη μωσαϊκό "κόκκοι" πολύ μεταβλητού μεγέθους (από νανο-μέτρα έως χιλιοστά) και χημείας - και όμως αποδίδουν σχεδόν τόσο καλά όσο τα καλύτερα κύτταρα πυριτίου σήμερα. Επιπλέον, μικρές κηλίδες ή ελαττώματα σε ταινίες perovskite δεν οδηγούν σε σημαντικές απώλειες ισχύος. Τέτοια ελαττώματα θα ήταν καταστροφικά για έναν πίνακα πυριτίου ή ένα εμπορικό LED.

Παρόλο που εξακολουθούμε να προσπαθούμε να το καταλάβουμε, αυτά τα υλικά αναγκάζουν την κοινότητα να ξαναγράψει το εγχειρίδιο για αυτό που θεωρούμε ιδανικό ημιαγωγό: μπορούν να έχουν πολύ καλές οπτικές και ηλεκτρονικές ιδιότητες παρά το - ή ίσως ακόμη και λόγω - διαταραχής.

Θα μπορούσαμε υποθετικά να χρησιμοποιήσουμε αυτά τα υλικά για να φτιάξουμε "σχεδιαστικά" ηλιακά κύτταρα που συνδυάζονται σε κτίρια ή σπίτια ή ηλιακά παράθυρα που μοιάζουν με φιμέ γυαλί που παράγουν δύναμη.

Αλλά η πραγματική ευκαιρία είναι να αναπτυχθούν πολύ αποδοτικά κύτταρα πέρα ​​από την αποτελεσματικότητα των κυττάρων πυριτίου. Για παράδειγμα, μπορούμε να συνδυάσουμε δύο διαφορετικές χρωματιστές μεμβράνες περοσκίτη σε ένα «Διαδοχικά» ηλιακά κύτταρα. Κάθε στρώμα συλλέγει διαφορετικές περιοχές του ηλιακού φάσματος, αυξάνοντας τη συνολική απόδοση του κυττάρου.

Ένα άλλο παράδειγμα είναι αυτό που πρωτοπορεί η Oxford PV: προσθέτοντας ένα στρώμα περοβσκίτη πάνω από ένα τυπικό κελί πυριτίου, ενισχύοντας την αποτελεσματικότητα της υπάρχουσας τεχνολογίας χωρίς σημαντικό πρόσθετο κόστος. Αυτές οι παράλληλες προσεγγίσεις θα μπορούσαν να δημιουργήσουν γρήγορα ένα ενίσχυση της αποτελεσματικότητας ηλιακών συλλεκτών άνω του 30%, κάτι που θα μείωνε τόσο το κόστος του πίνακα όσο και του συστήματος, ενώ θα μειώσει επίσης τα ενεργειακό αποτύπωμα.

Αυτά τα στρώματα περοβσκίτη αναπτύσσονται επίσης για την κατασκευή εύκαμπτων ηλιακών συλλεκτών που μπορούν να υποβληθούν σε επεξεργασία για να κυλήσουν σαν χαρτί εφημερίδων μείωση του κόστους. Η ελαφριά, υψηλής ισχύος ηλιακή ενέργεια ανοίγει επίσης δυνατότητες τροφοδοσίας ηλεκτρικών οχημάτων και δορυφόρων επικοινωνίας.

Ευέλικτη πρωτότυπη ηλιακή κυψέλη perovskite. Plamen Petkov για την Scientific American

Για τα LED, οι περοβσκίτες μπορούν να επιτύχουν φανταστικά ποιότητα χρώματος που θα μπορούσε να οδηγήσει σε προχωρημένους ευέλικτες τεχνολογίες οθόνης. Οι Perovskites θα μπορούσαν επίσης να προσφέρουν φθηνότερη, υψηλότερη ποιότητα λευκό φωτισμό από τα σημερινά εμπορικά LED, με τη «θερμοκρασία χρώματος» ενός πλανήτη που μπορεί να κατασκευαστεί για να δώσει δροσερό ή ζεστό λευκό φως ή οποιαδήποτε επιθυμητή σκιά στο μεταξύ. Δημιουργούν επίσης ενθουσιασμό ως δομικά στοιχεία για μελλοντικούς κβαντικούς υπολογιστές, καθώς Ανιχνευτές ακτίνων Χ για εξαιρετικά χαμηλή δόση ιατρικής απεικόνισης και ασφάλειας.

Αν και τα πρώτα προϊόντα αναδύονται ήδη, εξακολουθούν να υπάρχουν προκλήσεις. Ένα βασικό ζήτημα είναι η επίδειξη μακροπρόθεσμη σταθερότητα. Αλλά η έρευνα είναι πολλά υποσχόμενη, και μόλις επιλυθούν, οι υπεροβσκίτες αλογονιδίων θα μπορούσαν πραγματικά να ωθήσουν τον μετασχηματισμό της παραγωγής και της κατανάλωσης ενέργειας.

Σχετικά με το Συγγραφέας

Sam Stranks, Λέκτορας Ενεργειακής και Royal Research University University Fellow, Πανεπιστήμιο του Καίμπριτζ

Αυτό το άρθρο αναδημοσιεύθηκε από το Η Συνομιλία υπό την άδεια Creative Commons. Διαβάστε το αρχικό άρθρο.

Σχετικά βιβλία

Ανάλυση: Το πιο περιεκτικό σχέδιο που έχει προταθεί ποτέ για την αντιστροφή της υπερθέρμανσης του πλανήτη

των Paul Hawken και Tom Steyer
Αντιμέτωποι με τον εκτεταμένο φόβο και την απάθεια, ένας διεθνής συνασπισμός ερευνητών, επαγγελματιών και επιστημόνων συγκεντρώθηκε για να προσφέρει ένα σύνολο ρεαλιστικών και τολμηρών λύσεων για την κλιματική αλλαγή. Εκατό τεχνικές και πρακτικές περιγράφονται εδώ - μερικές είναι γνωστές. μερικοί που ίσως δεν έχετε ακούσει ποτέ. Κυμαίνονται από την καθαρή ενέργεια έως την εκπαίδευση κοριτσιών σε χώρες χαμηλού εισοδήματος έως τις πρακτικές χρήσης γης που τραβούν τον άνθρακα από τον αέρα. Οι λύσεις υπάρχουν, είναι οικονομικά βιώσιμες και οι κοινότητες σε όλο τον κόσμο τις εφαρμόζουν με δεξιότητα και αποφασιστικότητα. Διαθέσιμο στο Amazon

Σχεδιασμός κλιματικών λύσεων: Ένας οδηγός πολιτικής για ενέργεια χαμηλών εκπομπών άνθρακα

των Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Με τις επιπτώσεις της κλιματικής αλλαγής ήδη σε εμάς, η ανάγκη μείωσης των παγκόσμιων εκπομπών αερίων θερμοκηπίου δεν είναι τίποτα λιγότερο από επείγουσα. Είναι μια τρομακτική πρόκληση, αλλά οι τεχνολογίες και οι στρατηγικές για την αντιμετώπισή της υπάρχουν σήμερα. Ένα μικρό σύνολο ενεργειακών πολιτικών, σχεδιασμένων και εφαρμοσμένων καλά, μπορεί να μας οδηγήσει στο δρόμο για ένα μέλλον χαμηλών εκπομπών άνθρακα. Τα ενεργειακά συστήματα είναι μεγάλα και περίπλοκα, επομένως η ενεργειακή πολιτική πρέπει να είναι εστιασμένη και οικονομικά αποδοτική. Οι προσεγγίσεις ενός μεγέθους για όλους δεν θα κάνουν τη δουλειά. Οι υπεύθυνοι χάραξης πολιτικής χρειάζονται έναν σαφή, περιεκτικό πόρο που περιγράφει τις ενεργειακές πολιτικές που θα έχουν τη μεγαλύτερη επίδραση στο μέλλον μας για το κλίμα, και περιγράφει πώς να σχεδιάσουμε αυτές τις πολιτικές καλά. Διαθέσιμο στο Amazon

Αυτό αλλάζει τα πάντα: Ο καπιταλισμός εναντίον του κλίματος

από τη Naomi Klein
In Αυτό αλλάζει τα πάντα Η Naomi Klein υποστηρίζει ότι η κλιματική αλλαγή δεν είναι απλώς ένα άλλο ζήτημα που πρέπει να αρχειοθετηθεί μεταξύ των φόρων και της υγειονομικής περίθαλψης. Είναι ένας συναγερμός που μας καλεί να διορθώσουμε ένα οικονομικό σύστημα που μας ήδη αποτυγχάνει με πολλούς τρόπους. Η Klein αναπτύσσει σχολαστικά την υπόθεση για το πώς η μαζική μείωση των εκπομπών θερμοκηπίου μας είναι η καλύτερη ευκαιρία για ταυτόχρονη μείωση των ανισοτήτων που εκκρεμούν, εκ νέου φαντασία των σπασμένων δημοκρατιών μας και ανοικοδόμηση των τοπικών μας οικονομιών. Εκθέτει την ιδεολογική απελπισία των αρνητών της κλιματικής αλλαγής, τις μεσσιανικές αυταπάτες των επίδοξων γεωμηχανικών και τον τραγικό ήττη πάρα πολλών κύριων πράσινων πρωτοβουλιών. Και δείχνει ακριβώς γιατί η αγορά δεν - και δεν μπορεί - να διορθώσει την κλιματική κρίση, αλλά αντίθετα θα επιδεινώσει τα πράγματα, με ολοένα και πιο ακραίες και οικολογικά επιβλαβείς μεθόδους εξαγωγής, που συνοδεύονται από τον αχαλίνωτο καπιταλισμό καταστροφών. Διαθέσιμο στο Amazon

Από τον εκδότη:
Οι αγορές στο Amazon πηγαίνουν για να αντισταθμίσουν το κόστος μεταφοράς InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, και ClimateImpactNews.com χωρίς κόστος και χωρίς διαφημιστές που παρακολουθούν τις συνήθειες περιήγησής σας. Ακόμα κι αν κάνετε κλικ σε έναν σύνδεσμο αλλά δεν αγοράσετε αυτά τα επιλεγμένα προϊόντα, οτιδήποτε άλλο αγοράζετε στην ίδια επίσκεψη στο Amazon μας πληρώνει μια μικρή προμήθεια. Δεν υπάρχει επιπλέον κόστος για εσάς, οπότε συμβάλλετε στην προσπάθεια. Μπορείτε επίσης να χρησιμοποιήστε αυτό το σύνδεσμο για χρήση στο Amazon ανά πάσα στιγμή, ώστε να μπορείτε να υποστηρίξετε τις προσπάθειές μας.