Aurinkoenergian lisääminen: Duken tutkijat tutkivat tapoja parantaa paneeleja
Julkaisupäivä:Miksi aurinkoenergiaa ei käytetä laajemmin? Loppujen lopuksi aurinkokennot tuottavat sähköä auringonvalosta, joka on ilmainen ja olennaisesti ääretön resurssi.
Yksi syy on se, että nykyiset aurinkokennot ovat suhteellisen tehottomia. Ne kuluttavat vain noin neljänneksen auringosta saamastaan energiasta. Jos tätä tehokkuutta voitaisiin parantaa, aurinkopaneelit voisivat viedä vähemmän kiinteistöjä ja pumpata enemmän sähköä.
"Loppujen lopuksi tehokkuus on aurinkoenergian haaste", sanoo Adrienne Stiff-Roberts, PhD, joka on Jeffrey N. Vinik sähkö- ja tietokonetekniikan professori. "Jos aurinkokennot ovat tehokkaampia, tekniikka on halvempaa [tuotettua sähköyksikköä kohti] ja puhutte uusiutuvan energian korvaamisesta hiilipohjaisille energialähteille."
Dukessa Stiff-Roberts ja hänen kollegansa työskentelevät uuden aurinkosähkötekniikan parissa, joka voisi jonain päivänä siepata enemmän energiaa auringonvalosta.
Yksi tapa lisätä aurinkokennojen tehokkuutta on muuttaa niiden kemiallista rakennetta. Nykyiset aurinkokennot käyttävät piitä, epäorgaanista elementtiä, joka on pitkäikäinen, siirtää hyvin sähkövarauksia ja absorboi tyydyttävästi valoenergiaa. Tietyt orgaaniset molekyylit toisaalta absorboivat loistavasti valoenergiaa, mutta voivat hajota nopeasti kosteuden ja hapen läsnä ollessa.
Orgaanisten molekyylien edut ylittävät niiden valoa absorboivat ominaisuudet. "Orgaaninen kemisti voi suunnitella orgaanisia molekyylejä, joilla on kaikenlaisia toimintoja", Stiff-Roberts sanoo. "He voivat olla joustavia."
Epäorgaanisten ja orgaanisten yhdisteiden yhdistäminen yhdeksi aurinkokennoksi, Stiff-Roberts sanoo, voisi tarjota "molempien maailmojen parhaat puolet". Mutta työskentely tällaisten hybridimateriaalien kanssa ei ole helppoa.
Ensinnäkin hybridimateriaali on kerrostettava nanometrin paksuisena kalvona, joka toimii puolijohteena. Ohutkalvopuolijohteita on jo kaikkialla päivittäin käyttämissämme laitteissa, kuten matkapuhelimissa, tietokoneissa ja televisioissa. Mutta usein nämä puolijohteet on valmistettu epäorgaanisista mineraaleista. Tekniikka, jolla ne kerrostetaan ohuiksi kalvoiksi, ei toimi orgaanisille yhdisteille.
On olemassa tapoja kerrostaa orgaanisia molekyylejä ohueksi kalvoksi, mutta joko ne toimivat vain pienille orgaanisille molekyyleille tai ne haastetaan kerrostamaan useita aurinkokennoissa tarvittavia kerroksia.
Nyt Stiff-Roberts ja hänen tiiminsä ovat kehittäneet ja osoittaneet tekniikan sekä epäorgaanisista että suurista orgaanisista yhdisteistä valmistettujen hybridimateriaalien kerrostamiseksi. "Ryhmäni esitti uudenlaisen lähestymistavan, joka poikkeaa pohjimmiltaan siitä, mitä kaikki muut tekivät", hän sanoo.
"Lasketuksemme on erittäin lempeä. [Orgaaninen molekyyli] siirtyy lähteestä substraattiin ilman muutoksia."
Stiff-Roberts haastoi perinteiset prosessit tekemällä emulsion (ajattele öljyä ja etikkaa), jossa orgaaniset molekyylit suspendoituivat kuin öljypisarat veteen. Tämä suojaa suuria molekyylejä murtumiselta laskeuman aikana.
Hän sai äskettäin $1 miljoonan National Science Foundationin BRITE-stipendiaattina tutkiakseen mahdollisuutta laajentaa hänen laboratoriopohjaista tekniikkaansa hybridimateriaalien ohutkalvopinnoitusta varten, jotta sen valmistus olisi kaupallisesti kannattavaa.
Yksi lupaavimmista hybridimateriaaleista, joita aurinkotutkijat tavoittelevat, on perovskiitti, luonnossa esiintyvä mineraali, jota on manipuloitu hyväksymään orgaanisia molekyylejä kiderakenteeseensa. Orgaaniset molekyylit jäävät loukkuun kiteiseen hilaan kuten voi vohvelin kuoppiin.
Kokeellisten hybridiperovskiitin aurinkokennojen tehokkuus on kasvanut harppauksin viimeisen vuosikymmenen aikana, ja se on parantunut paljon nopeammin kuin perinteiset ja muut kokeelliset aurinkoteknologiat. "Se on kannustanut kaikenlaisia investointeja ja tutkimusta tällä alalla", sanoo Stiff-Roberts, joka on jo osoittanut, että hänen tekniikkansa toimii ohutkalvohybridiperovskiittien kanssa.
Stiff-Roberts tekee läheistä yhteistyötä Duke-insinöörikollegoiden kanssa, mukaan lukien teoreetikko Volker Blum, konetekniikan ja materiaalitieteen apulaisprofessori, ja materiaalisuunnittelija David Mitzi, Simon Familyn konetekniikan ja materiaalitieteen professori Duken yliopistossa.
Nämä kolme ovat osa kansallista keskusta, jota rahoittaa energiaministeriö ja jonka pääkonttori sijaitsee National Renewable Energy Laboratoryssa ja joka tutkii perovskiittien ja muiden hybridimateriaalien perusominaisuuksia.
"Me emme ymmärrä paljon näistä materiaaleista", Stiff-Roberts sanoo, "ja jos et ymmärrä materiaalia, et voi parantaa tai hallita sitä parempien laitteiden valmistamiseksi."
Paremman laitteen tekeminen on kuitenkin vasta ensimmäinen askel. Stiff-Roberts sanoo, että siirtyminen fossiilisista polttoaineista uusiutuviin edellyttää useiden tieteenalojen osallistumista – ei vain tiedettä ja tekniikkaa, vaan kaikkea politiikasta talouteen. Hän huomaa, että Duken perustutkinto- ja jatko-opiskelijat sukeltavat näihin ongelmiin innostuneesti, usein monitieteisissä ympäristöissä, kuten kampuksen laajuisissa Bass Connections -tiimeissä tai Nicholas Institute for Energy, Environment and Sustainability -instituutissa.
"Jos haluat ratkaista uusiutuvan energian ongelmia", hän sanoo, "kaikki liittyy asiaan. Ja Dukella on asiantuntemusta kaikista näistä laajemmista näkökohdista. Siellä Dukella on jotain ainutlaatuista tarjottavaa."
(C) Duken yliopisto
Alkuperäinen artikkelin lähde: WRAL TechWire