我們如何從太陽獲得更多能量

在沃爾碼屋頂的太陽電池板,山景城,加利福尼亞。 Walmart / Flickr,CC BY在沃爾碼屋頂的太陽電池板,山景城,加利福尼亞。
沃爾瑪/ Flickr的, CC BY

隨著發展中國家走向工業化,全球能源需求逐漸增加。 專家估計,到今年2050,全球電力需求可能會達到 30 terawatts (TW)。 從透視角度來看,一太瓦時大約相當於1.3十億匹馬的力量。

來自太陽的能量是無限的 - 太陽在任何給定的瞬間為我們提供120,000 TW的力量 - 它是免費的。 但今天太陽能提供了 只有百分之一 世界的電力。 關鍵的挑戰是將光能轉換為可用電能的成本降低。

為此,我們需要找到能夠吸收陽光並將其有效轉化為電能的材料。 此外,我們希望這些材料在製造太陽能裝置時具有豐富,環保和經濟的成本效益。

來自世界各地的研究人員正致力於開發高效且價格合理的太陽能電池技術。 目標是將太陽能發電的安裝成本降至每瓦特1以下,相比之下 今天每瓦約$ 3.

在賓厄姆頓大學 自主太陽能發電中心(CASP),我們正在研究使用自然豐富且無毒的材料製造薄膜太陽能電池的方法。 我們希望開發出可靠,高效的太陽能電池,將太陽光轉換為電能並且製造成本低廉。 我們已經確定了兩種具有巨大潛力的材料作為太陽能吸收劑:黃鐵礦,因其金屬光澤而被稱為傻瓜金; 和銅 - 鋅 - 錫 - 硫化物(CZTS)。

尋求理想的材料

今天的商業太陽能電池由三種材料中的一種製成:矽,碲化鎘(CdTe)和銅 - 銦 - 鎵 - 硒(CIGS)。 每個人都有優點和缺點。

矽太陽能電池效率很高,可以將25百分比的陽光轉化為電能,非常耐用。 然而,將矽加工成晶片是非常昂貴的。 並且這些晶片必須非常厚(大約0.3毫米,太厚的太陽能電池)以吸收落在它們上的所有陽光,這進一步增加了成本。

矽太陽能電池 - 通常被稱為第一代太陽能電池 - 用於已成為屋頂上熟悉景點的面板。 我們的中心正在研究另一種稱為薄膜太陽能電池的類型,它是下一代太陽能技術。 顧名思義,薄膜太陽能電池是通過在基板(例如玻璃或塑料)上放置一薄層太陽能吸收材料製成的,該基板通常可以是柔性的。

這些太陽能電池使用較少的材料,因此它們比由矽製成的晶體太陽能電池便宜。 不可能在柔性基板上塗覆晶體矽,因此我們需要使用不同的材料作為太陽能吸收器。

雖然薄膜太陽能技術正在迅速發展,但今天的薄膜太陽能電池中的一些材料是稀缺或危險的。 例如,CdTe中的鎘對所有生物都具有高毒性,並且已知會導致人類癌症。 CdTe可在高溫下(例如,在實驗室或室內火中)分離成鎘和碲,從而構成嚴重的吸入風險。

我們正在使用黃鐵礦和CZTS,因為它們無毒且價格低廉。 CZTS的成本約為每瓦0.005美分和黃鐵礦成本 每瓦特僅為0.000002美分。 它們也是地殼中最豐富的物質之一,可有效吸收可見光譜。 這些薄膜可以與毫米的1 / 1000th一樣薄。

在模擬太陽光下測試CZTS太陽能電池。 塔拉達卡爾/賓厄姆頓大學,作者提供 在模擬太陽光下測試CZTS太陽能電池。
塔拉達卡爾/賓厄姆頓大學,作者提供
我們需要先將這些材料結晶,然後才能將它們製成太陽能電池。 這是通過加熱它們來完成的。 CZTS在600攝氏度的溫度下結晶,與硅的1,200攝氏度或更高的溫度相比,這使得加工成本更低。 它的性能與現在商用的高效銅銦鎵硒(CIGS)太陽能電池非常相似,但是用更便宜和更豐富的鋅和錫取代這些電池中的銦和鎵。

然而,到目前為止,CZTS太陽能電池的效率相對較低:它們的轉換率低於 13% 對於更昂貴的CIGS太陽能電池,與20百分比相比,落在它們上面的電力是相同的。

我們知道CZTS太陽能電池有可能達到30效率。 主要的挑戰是1合成高質量的CZTS薄膜,沒有任何雜質痕跡,2)為其下面的“緩衝”層尋找合適的材料,這有助於收集太陽光在吸收層中產生的電荷。 我們的實驗室生產了一種CZTS薄膜 效率為7%; 我們希望通過合成高質量的CZTS層並找到合適的緩衝層來盡快達到15效率。

CZTS太陽能電池的結構。 塔拉達卡爾/賓厄姆頓大學,作者提供CZTS太陽能電池的結構。
Tara Dhakal / Binghamton大學,作者提供
硫鐵礦是另一種可在極低溫度下合成的潛在吸收劑。 我們的實驗室已經合成了黃鐵礦薄膜,現在我們正在努力將這些薄膜分層到太陽能電池中。 這個過程具有挑戰性,因為當黃鐵礦暴露在高溫和潮濕環境中時,它很容易分解。 我們正在研究使其更穩定而不影響其太陽能吸收性和機械性能的方法。 如果我們能解決這個問題,“傻瓜的黃金”可能會變成智能光伏器件。

在最近的一項研究中,斯坦福大學和加州大學伯克利分校的研究人員估計太陽能可以提供 達到45百分比 2050的美國電力。 為了實現這一目標,我們需要不斷降低太陽能發電的成本,並找到更可持續地製造太陽能電池的方法。 我們相信豐富,無毒的材料是實現太陽能潛力的關鍵。

關於作者

達卡爾塔拉Tara P. Dhakal,紐約州立大學賓漢姆頓大學電子與計算機工程助理教授。 他的研究興趣是可再生能源,特別是太陽能。 他的研究目標是實現對環境無害且經濟實惠的太陽能電池技術。

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.

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