Wie wir noch mehr Energie von der Sonne bekommen können

Sonnenkollektoren auf einem Walmart-Dach, Mountain View, Kalifornien. Walmart / Flickr, CC BYSonnenkollektoren auf einem Walmart-Dach, Mountain View, Kalifornien.
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Die globale Nachfrage nach Energie steigt mit der Entwicklung der Entwicklungsländer in Richtung Industrialisierung stündlich. Experten schätzen, dass bis zum Jahr 2050 der weltweite Strombedarf steigen könnte 30 Terawatt (TW). Ein Terawatt entspricht in etwa der Stärke von 1.3 Milliarden Pferden.

Die Energie von der Sonne ist grenzenlos - die Sonne liefert uns 120,000 TW zu jedem Zeitpunkt - und es ist kostenlos. Aber heute liefert Solarenergie nur etwa ein Prozent der Elektrizität der Welt. Die entscheidende Herausforderung besteht darin, die Umwandlung von Photoenergie in nutzbare elektrische Energie kostengünstiger zu gestalten.

Dazu müssen wir Materialien finden, die Sonnenlicht absorbieren und effizient in Elektrizität umwandeln. Darüber hinaus möchten wir, dass diese Materialien reichlich vorhanden, umweltfreundlich und kostengünstig in Solarzellen hergestellt werden können.

Forscher aus der ganzen Welt arbeiten daran, effiziente und erschwingliche Solarzellentechnologien zu entwickeln. Ziel ist es, die Installationskosten für Solarstrom im Vergleich zu US $ 1 pro Watt zu senken ungefähr $ 3 pro Watt heute.

An der Binghamton Universität Zentrum für autonome Solarenergie (CASP)Wir untersuchen, wie Dünnschichtsolarzellen aus Materialien hergestellt werden können, die in der Natur vorkommen und ungiftig sind. Wir wollen Solarzellen entwickeln, die zuverlässig und hocheffizient in der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität und kostengünstig in der Herstellung sind. Wir haben zwei Materialien identifiziert, die ein großes Potential als Solarabsorber haben: Pyrit, besser bekannt als Narrgold wegen seines metallischen Glanzes; und Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid (CZTS).

Ich suche das ideale Material

Die heutigen kommerziellen Solarzellen bestehen aus einem von drei Materialien: Silizium, Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS). Jeder hat Stärken und Schwächen.

Silizium-Solarzellen sind hocheffizient und wandeln bis zu 25 Prozent des auf sie einfallenden Sonnenlichts in Elektrizität um und sind sehr langlebig. Es ist jedoch sehr teuer, Silizium zu Wafern zu verarbeiten. Und diese Wafer müssen sehr dick sein (ungefähr 0.3 Millimeter, das ist dick für Solarzellen), um das gesamte Sonnenlicht, das auf sie fällt, zu absorbieren, was die Kosten weiter erhöht.

Silizium-Solarzellen - oft als Solarzellen der ersten Generation bezeichnet - kommen in den Panels zum Einsatz, die auf Dächern bekannt geworden sind. Unser Zentrum untersucht eine weitere Art von Dünnschicht-Solarzellen, die die nächste Generation der Solartechnologie sind. Wie ihr Name andeutet, werden Dünnschichtsolarzellen hergestellt, indem eine dünne Schicht aus solarabsorbierendem Material über ein Substrat wie Glas oder Kunststoff gelegt wird, das typischerweise flexibel sein kann.

Diese Solarzellen verbrauchen weniger Material und sind daher kostengünstiger als kristalline Solarzellen aus Silizium. Es ist nicht möglich, kristallines Silizium auf einem flexiblen Substrat zu beschichten, daher benötigen wir ein anderes Material, das als Solarabsorber verwendet werden kann.

Obwohl sich die Dünnschicht-Solartechnologie schnell verbessert, sind einige der Materialien in heutigen Dünnschicht-Solarzellen selten oder gefährlich. Zum Beispiel ist das Cadmium in CdTe für alle Lebewesen hoch toxisch und es ist bekannt, dass es beim Menschen Krebs verursacht. CdTe kann sich bei hohen Temperaturen (z. B. in einem Labor oder einem Hausfeuer) in Cadmium und Tellur auftrennen, was ein ernsthaftes Inhalationsrisiko darstellt.

Wir arbeiten mit Pyrit und CZTS, weil sie ungiftig und sehr preiswert sind. CZTS kostet etwa 0.005 Cent pro Watt und Pyritkosten nur 0.000002 Cent pro Watt. Sie gehören auch zu den am häufigsten vorkommenden Materialien in der Erdkruste und absorbieren das sichtbare Spektrum des Sonnenlichts effizient. Diese Filme können so dünn wie 1 / 1000th eines Millimeters sein.

Testing CZTS Solarzellen unter simulierten Sonnenlicht. Tara Dhakal / Binghamton University, Autor zur Verfügung gestellt Testing CZTS Solarzellen unter simulierten Sonnenlicht.
Tara Dhakal / Binghamton University, Autor zur Verfügung gestellt
Wir müssen diese Materialien kristallisieren, bevor wir sie zu Solarzellen verarbeiten können. Dies geschieht durch Erhitzen. CZTS kristallisiert bei Temperaturen unter 600 Grad Celsius, im Vergleich zu 1,200 Grad Celsius oder höher für Silizium, wodurch die Verarbeitung weniger teuer ist. Es funktioniert ähnlich wie hocheffiziente Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) -Solarzellen, die jetzt im Handel erhältlich sind, aber das Indium und Gallium in diesen Zellen durch billigeres und reichhaltigeres Zink und Zinn ersetzen.

Bisher sind CZTS-Solarzellen jedoch relativ ineffizient: Sie konvertieren weniger als 13 Prozent des Sonnenlichtes, das auf sie fällt, verglichen mit 20-Prozent für teurere CIGS-Solarzellen.

Wir wissen, dass CZTS-Solarzellen ein Potenzial von 30-Prozent haben. Die Hauptherausforderungen sind 1), das hochwertigen CZTS-Dünnfilm ohne Spuren von Verunreinigungen synthetisiert, und 2) ein geeignetes Material für die "Puffer" -Schicht darunter zu finden, die hilft, die elektrischen Ladungen zu sammeln, die das Sonnenlicht in der Absorberschicht erzeugt. Unser Labor hat einen CZTS-Dünnfilm mit produziert sieben Prozent Effizienz; Wir hoffen, bald die 15-Effizienz erreichen zu können, indem wir hochwertige CZTS-Schichten synthetisieren und geeignete Pufferschichten finden.

Struktur einer CZTS-Solarzelle. Tara Dhakal / Binghamton University, Autor zur Verfügung gestelltStruktur einer CZTS-Solarzelle.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Autor zur Verfügung gestellt
Pyrit ist ein weiterer potentieller Absorber, der bei sehr niedrigen Temperaturen synthetisiert werden kann. Unser Labor hat Pyrit-Dünnschichten synthetisiert, und jetzt arbeiten wir daran, diese Filme in Solarzellen zu schichten. Dieser Prozess ist eine Herausforderung, da Pyrit leicht zersetzt wird, wenn es Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt ist. Wir erforschen Wege, um es stabiler zu machen, ohne seine solare Saugfähigkeit und mechanischen Eigenschaften zu beeinflussen. Wenn wir dieses Problem lösen können, könnte sich "Narrgold" in ein intelligentes Photovoltaikgerät verwandeln.

In einer aktuellen Studie schätzten Forscher der Stanford University und der University of California in Berkeley, dass Solarstrom liefern könnte bis zu 45 Prozent von US-Strom von 2050. Um dieses Ziel zu erreichen, müssen wir die Kosten für Solarenergie weiter senken und Wege finden, um Solarzellen nachhaltiger zu machen. Wir glauben, dass reichlich, ungiftige Materialien der Schlüssel zur Realisierung des Potenzials von Solarenergie sind.

Über den Autor

Dhaka TaraTara P. Dhakal, Assistenzprofessor für Elektrotechnik und Computertechnik, Binghamton University, State University of New York. Sein Forschungsinteresse gilt der erneuerbaren Energie, insbesondere der Solarenergie. Sein Forschungsziel ist eine umweltschonende und wirtschaftlich bezahlbare Solarzellentechnologie.

Dieser Artikel wurde ursprünglich veröffentlicht am Das Gespräch.. Lies das Original Artikel.

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