Слънчева енергия: Как един дизайн на "Слънчевата таран" може да използва силата на Слънцето

Потенциалът за генериране на енергия от слънчеви панели - и ключово ограничение за тяхната употреба - е резултат от това, от което са направени. Панелите, изработени от силиций, намаляват в цената, така че на някои места те могат да осигурят електричество, което струва приблизително същото като мощността от изкопаеми горива като въглища и природен газ. Но силициевите слънчеви панели също са обемисти, твърди и чупливи, така че не могат да се използват само навсякъде.

В много части на света, които нямат редовна електроенергия, слънчевите панели могат да осигурят светлина след четене и енергия за изпомпване на питейна вода, за подпомагане на малките домакинства или селищни предприятия, или дори за подслон и бежански лагери. Но механичната чупливост, тежестта и трудностите при транспортирането на силициевите слънчеви панели предполагат, че силицийът може да не е идеален.

Основавайки се на работата на другите, моята изследователска група работи за разработването на гъвкави слънчеви панели, които биха били ефикасни като силициеви панели, но биха били тънки, леки и сгъваеми. Този вид устройство, което наричаме "слънчева брезент", може да се разпростре до размера на помещението и да генерира електричество от слънцето, и може да бъде сгъната до размера на грейпфрут и да бъде натъпкана в раница много като 1000 пъти, без да се счупят. Макар да е имало някакви усилия да направим органичните слънчеви клетки по-гъвкави, като ги направим свръхтънки, истинската трайност изисква молекулярна структура, която прави слънчевите панели разтегливи и здрави.

Силиконови полупроводници

Силиконът се получава от пясък, което го прави евтин. А начинът, по който неговите атоми опаковат в твърд материал, го прави добър полупроводник, което означава, че неговата проводимост може да се включва и изключва с помощта на електрически полета или светлина. Тъй като е евтин и полезен, силицийът е основата за микрочипове и платки в компютри, мобилни телефони и основно всички други електроника, предаващи електрически сигнали от един компонент към друг. Силиконът също е ключът към повечето слънчеви панели, тъй като той може да преобразува енергията от светлина в положителни и отрицателни заряди. Тези заряди преминават към противоположните страни на слънчевата клетка и могат да се използват като батерия.

Но химичните му свойства също означават, че не може да се превърне в гъвкава електроника. Силиконът не абсорбира светлината много ефективно. Фотоните могат да преминат през тънък слой от силиций, така че те трябва да бъдат доста дебели - около 100 микрометра, около дебелината на една доларова банкнота - така че никоя от светлината да не се губи.

Полупроводници от следващо поколение

Но изследователите са открили други полупроводници, които са много по-добре да абсорбират светлината. Една група материали, наречени "перовскити", могат да бъдат използвани за направата на слънчеви клетки, които са почти толкова ефективни, колкото силициевите, но с абсорбиращи светлина слоеве, които са с хилядна дебелина, необходима със силиций. В резултат на това изследователите работят за изграждане на перовскитни слънчеви клетки, които могат да захранват малки безпилотни самолети и други устройства, където намаляването на теглото е ключов фактор.

Нобеловата награда за химия от 2000 г. бе присъдена на изследователите, които за първи път откриха, че могат да направят друг вид ултра-тънък полупроводник, наречен полупроводящ полимер. Този тип материал се нарича "органичен полупроводник", защото се основава на въглерод и се нарича "полимер", защото се състои от дълги вериги от органични молекули. Органичните полупроводници вече се използват в търговската мрежа, включително и в индустрията с милиарди долари на органични светодиодни дисплеи, по-известни като OLED телевизори.

Полимерните полупроводници не са толкова ефективни при превръщането на слънчевата светлина в електричество като перовскити или силиций, но са много по-гъвкави и потенциално изключително трайни. Редовни полимери, а не полупроводникови, се срещат навсякъде в ежедневието. Това са молекулите, които съставляват тъкани, пластмаса и боя. Полимерните полупроводници притежават потенциала да комбинират електронните свойства на материали като силиций с физическите свойства на пластмасата.

Най-доброто от двата свята: ефективност и издръжливост

В зависимост от структурата им, пластмасите имат широка гама от свойства - включително гъвкавост, както при брезент; и твърдост, като панелите на каросерията на някои автомобили. Полупроводниковите полимери имат твърди молекулярни структури и много от тях са съставени от малки кристали. Те са от ключово значение за техните електронни свойства, но са склонни да ги правят чупливи, което не е желателен атрибут за гъвкави или твърди елементи.

Работата на моята група се фокусира върху идентифицирането на начини за създаване на материали с добри полупроводникови свойства и известност на издръжливостта на пластмасите - независимо дали са гъвкави или не. Това ще бъде ключът към моята идея за слънчев брезент или одеало, но може да доведе и до покривни материали, външни подови плочки или дори до повърхности на пътища или паркинги.

Тази работа ще бъде от ключово значение за овладяването на силата на слънчевата светлина - защото в края на краищата слънчевата светлина, която удари Земята за един час, съдържа повече енергия, отколкото цялото човечество използва за една година.

Тази статия първоначално е публикувана на разговор от Дарън Липоми. Прочетете оригиналната статия тук.