我們如何設計太陽能用於從太陽產生能量

我們如何設計太陽能用於從太陽產生能量

一小塊原型太陽篷布。 加州大學聖地亞哥分校 CC BY-ND

太陽能電池板的發電潛力 - 以及它們使用的關鍵限制 - 是它們的組成結果。 由矽製成的面板價格在下降,因此在某些地方他們可以提供電力 成本與化石燃料的成本大致相同 像煤和天然氣。 但矽太陽能電池板也很笨重,剛性和脆性,所以它們不能在任何地方使用。

在世界上許多沒有常規電力的地方,太陽能電池板可以提供 天黑後讀光 和能源 泵飲用水, 救命 為小型家庭或村莊企業提供電力 甚至服務 緊急避難所和難民營。 但矽太陽能電池板的機械脆性,重量和運輸困難表明矽可能不是理想的。

建立在 別人的工作, 我的研究小組 正在努力 開發柔性太陽能電池板,這將像矽面板一樣高效,但是薄,輕,可彎曲。 這種設備,我們稱之為“太陽能篷布,“可以分散到一個房間的大小,並從太陽發電,它可以被揉成一個葡萄柚的大小,並在背包中塞入多達1,000倍數而不會斷裂。 雖然已經做了一些努力,使有機太陽能電池更加靈活 使它們超薄,真正的耐久性需要一種分子結構,使太陽能電池板可伸縮和堅韌。

矽半導體

矽來自沙子,這使它便宜。 其原子包裹在固體材料中的方式使其成為良好的半導體,這意味著可以使用電場或光源打開和關閉其導電性。 因為它便宜又有用, 矽是計算機中微芯片和電路板的基礎,移動電話和基本上所有其他電子設備,將電信號從一個組件傳輸到另一個組件。 矽也是大多數太陽能電池板的關鍵,因為它可以將光能轉化為正電荷和負電荷。 這些電荷流向太陽能電池的相對側,可以像電池一樣使用。

但其化學性質也意味著它不能變成柔性電子產品。 矽不能非常有效地吸收光。 光子可能會穿過太薄的矽面板,所以它們必須相當厚 - 大約是100千分尺, 關於美元鈔票的厚度 - 這樣光就不會浪費了。


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下一代半導體

但研究人員發現其他半導體在吸收光線方面要好得多。 一組材料,稱為“鈣鈦礦,“可以用來製造太陽能電池 幾乎和矽一樣有效,但光吸收層的厚度是矽所需厚度的千分之一。 因此,研究人員正致力於建設 鈣鈦礦太陽能電池可以為小型無人機提供動力 和其他減重是關鍵因素的設備。

2000諾貝爾化學獎 研究人員首先發現他們可以製造另一種超薄半導體,稱為半導體聚合物。 這種類型的材料被稱為“有機半導體”,因為它基於碳,並且它被稱為“聚合物”,因為它由長鏈的有機分子組成。 有機半導體已經在商業上使用,包括在 十億美元的產業 of 有機發光二極管顯示器,更有名的OLED電視。

聚合物半導體在將太陽光轉化為電能方面不如鈣鈦礦或矽那樣高效,但它們更多 靈活且可能非常耐用。 常規聚合物 - 不是半導體聚合物 - 在日常生活中隨處可見; 它們是組成織物,塑料和油漆的分子。 聚合物半導體具有將矽等材料的電子特性與塑料的物理特性相結合的潛力。

兩全其美:效率和耐用性

根據其結構,塑料具有廣泛的性能 - 包括柔韌性,如篷布; 和剛性一樣,像一些汽車的車身板。 半導體聚合物具有剛性分子結構,並且許多由微小晶體組成。 這些是它們的電子特性的關鍵,但往往使它們變脆,這對於柔性或剛性物品來說不是理想的屬性。

我的小組的工作重點是確定創建方法 具有良好半導體特性和耐久性的材料 塑料是眾所周知的 - 無論是否靈活。 這對我的太陽篷布或毯子的想法至關重要,但也可能導致屋頂材料,戶外地磚或甚至是道路或停車場的表面。

談話這項工作將成為利用太陽能的關鍵 - 因為,畢竟,一小時內襲擊地球的陽光包含 比一年中所有人類使用的能量更多.

關於作者

Darren Lipomi,納米工程教授, 加州聖地亞哥大學

這篇文章最初發表於 談話。 閱讀 原創文章.

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