Zwiększanie energii słonecznej: badacze z Duke badają sposoby ulepszenia paneli
Data opublikowania:Dlaczego energia słoneczna nie jest szerzej wykorzystywana? W końcu ogniwa fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną ze światła słonecznego, które jest darmowym i zasadniczo nieskończonym zasobem.
Jednym z powodów jest to, że dzisiejsze ogniwa fotowoltaiczne są stosunkowo nieefektywne. Emitują jedynie około jednej czwartej energii, którą pobierają ze słońca. Gdyby można było poprawić tę wydajność, panele słoneczne mogłyby zajmować mniej powierzchni, jednocześnie wytwarzając więcej energii elektrycznej.
„Ostatecznie w przypadku energii słonecznej wyzwaniem jest wydajność” – mówi Doktor Adrienne Stiff-Roberts, który jest profesorem inżynierii elektrycznej i komputerowej Jeffreya N. Vinika. „Jeśli ogniwa słoneczne są bardziej wydajne, technologia jest tańsza [w przeliczeniu na jednostkę wyprodukowanej energii elektrycznej] i mówimy o energii odnawialnej zastępującej źródła energii oparte na węglu”.
W Duke Stiff-Roberts i jej współpracownicy pracują nad nową technologią fotowoltaiczną, która pewnego dnia mogłaby wychwytywać więcej energii ze światła słonecznego.
Jednym ze sposobów zwiększenia wydajności ogniw słonecznych jest zmiana ich składu chemicznego. Obecne ogniwa słoneczne wykorzystują krzem, pierwiastek nieorganiczny, który jest trwały, świetnie przenosi ładunki elektryczne i zadowalająco pochłania energię świetlną. Z drugiej strony, niektóre cząsteczki organiczne świetnie absorbują energię świetlną, ale mogą szybko ulegać degradacji w obecności wilgoci i tlenu.
Korzyści z cząsteczek organicznych wykraczają poza ich właściwości pochłaniania światła. „Chemik organiczny może zaprojektować cząsteczki organiczne spełniające najróżniejsze funkcje” – mówi Stiff-Roberts. „Mogą być elastyczni”.
Stiff-Roberts twierdzi, że połączenie związków nieorganicznych i organicznych w jedno ogniwo słoneczne może zaoferować „to, co najlepsze z obu światów”. Jednak praca z tego typu materiałami hybrydowymi nie jest łatwa.
Po pierwsze, materiał hybrydowy musi zostać osadzony w postaci folii o grubości nanometrów, która działa jak półprzewodnik. Półprzewodniki cienkowarstwowe są już wszechobecne w urządzeniach, z których korzystamy na co dzień, takich jak telefony komórkowe, komputery i telewizory. Ale często te półprzewodniki są wykonane z minerałów nieorganicznych. Technika osadzania ich w cienkich warstwach nie sprawdza się w przypadku związków organicznych.
Istnieją sposoby na osadzanie cząsteczek organicznych w cienkiej warstwie, ale albo działają one tylko w przypadku małych cząsteczek organicznych, albo wymagają osadzania wielu warstw wymaganych w ogniwach słonecznych.
Teraz Stiff-Roberts i jej zespół opracowali i zademonstrowali technikę osadzania materiałów hybrydowych wykonanych zarówno z nieorganicznych, jak i dużych związków organicznych. „Moja grupa wniosła nowatorskie podejście, które zasadniczo różni się od tego, co robili wszyscy inni” – mówi.
„Nasze osadzanie jest bardzo delikatne. [Cząsteczka organiczna] zostaje przeniesiona ze źródła na substrat bez zmian.”
Stiff-Roberts rzucił wyzwanie tradycyjnym procesom, tworząc emulsję (na przykład olej i ocet) z cząsteczkami organicznymi zawieszonymi jak kropelki oleju w wodzie. Chroni to duże cząsteczki przed pękaniem podczas osadzania.
Niedawno otrzymała nagrodę w wysokości $1 miliona od National Science Foundation jako stypendysta BRITE za zbadanie wykonalności zwiększenia skali stosowanej przez nią laboratoryjnej techniki osadzania cienkowarstwowego materiałów hybrydowych, aby uczynić ją opłacalną w produkcji.
Jednym z najbardziej obiecujących materiałów hybrydowych, nad którym pracują badacze energii słonecznej, jest perowskit – naturalnie występujący minerał, który został zmanipulowany w celu przyjęcia cząsteczek organicznych do swojej krystalicznej struktury. Cząsteczki organiczne są uwięzione w siatce krystalicznej niczym masło w zagłębieniach gofra.
W ciągu ostatniej dekady wydajność eksperymentalnych hybrydowych ogniw słonecznych z perowskitu wzrosła skokowo, poprawiając się znacznie szybciej niż w przypadku konwencjonalnych i innych eksperymentalnych technologii słonecznych. „To pobudziło wszelkiego rodzaju inwestycje i badania w tej przestrzeni” – mówi Stiff-Roberts, która już wykazała, że jej technika sprawdza się w przypadku cienkowarstwowych perowskitów hybrydowych.
Stiff-Roberts ściśle współpracuje z inżynierami Duke'a, w tym z teoretykiem Volkerem Blumem, profesorem nadzwyczajnym inżynierii mechanicznej i materiałoznawstwa oraz projektantem materiałów Davidem Mitzi, profesorem inżynierii mechanicznej i inżynierii materiałowej rodziny Simon na Duke University.
Wszystkie trzy elementy stanowią część krajowego centrum finansowanego przez Departament Energii z siedzibą w Krajowym Laboratorium Energii Odnawialnej, które bada podstawowe właściwości perowskitów i innych materiałów hybrydowych.
„Wiele rzeczy w tych materiałach nie rozumiemy” – mówi Stiff-Roberts – „a jeśli nie rozumiesz materiału, nie możesz go ulepszyć ani kontrolować, aby tworzyć lepsze urządzenia”.
Stworzenie lepszego urządzenia to jednak dopiero pierwszy krok. Stiff-Roberts twierdzi, że przejście z paliw kopalnych na odnawialne źródła energii będzie wymagało zaangażowania wielu dyscyplin – nie tylko nauki i inżynierii, ale wszystkiego, od polityki po ekonomię. Odkrywa, że studenci studiów licencjackich i magisterskich Duke z entuzjazmem zajmują się tymi problemami, często w środowiskach multidyscyplinarnych, takich jak zespoły Bass Connections obejmujące cały kampus lub Instytut Nicholasa ds. Energii, Środowiska i Zrównoważonego Rozwoju.
„Jeśli chcesz rozwiązać problemy związane z energią odnawialną” – mówi – „wszystko jest ze sobą powiązane. Duke ma wiedzę specjalistyczną we wszystkich tych szerszych aspektach. To właśnie tutaj Duke ma do zaoferowania coś wyjątkowego.”
(C) Uniwersytet Duke'a
Oryginalne źródło artykułu: WRALTechWire