Wie wir eine Solarplane entwerfen, um Energie von der Sonne zu erzeugen

Wie wir eine Solarplane entwerfen, um Energie von der Sonne zu erzeugen

Ein kleines Stück einer Prototyp-Solarplane. Universität von Kalifornien, San Diego, CC BY-ND

Das energieerzeugende Potenzial von Solarmodulen - und eine wesentliche Einschränkung für deren Nutzung - ist das Ergebnis dessen, aus dem sie bestehen. Platten aus Silizium sind im Preis fallend, so dass sie an manchen Standorten Strom liefern können kostet etwa so viel wie Strom aus fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdgas. Silizium-Solarmodule sind jedoch auch sperrig, starr und spröde, so dass sie nicht überall verwendet werden können.

In vielen Teilen der Welt, die keine reguläre Elektrizität haben, könnten Sonnenkollektoren liefern Leselicht nach Einbruch der Dunkelheit und Energie zu Trinkwasser pumpen, Hilfe Macht kleine Haushalts- oder Dorfbetriebe oder sogar dienen Notunterkünfte und Flüchtlingslager. Die mechanische Zerbrechlichkeit, die Schwere und die Transportschwierigkeiten von Silizium-Solarzellen deuten jedoch darauf hin, dass Silizium möglicherweise nicht ideal ist.

Aufbauend auf die Arbeit anderer, meine Forschungsgruppe arbeitet daran Entwickeln Sie flexible Sonnenkollektoren, die so effizient wie eine Siliziumplatte wäre, aber dünn, leicht und biegsam wäre. Diese Art von Gerät, das wir ein "Solarplane, "Könnte auf die Größe eines Raumes ausgebreitet werden und Elektrizität von der Sonne erzeugen, und es könnte zusammengerollt werden, um die Größe einer Grapefruit zu sein und in einem Rucksack so viele wie 1,000 Zeiten gestopft zu werden, ohne zu brechen." Während es einige Bemühungen gab, organische Solarzellen flexibler zu machen, einfach durch sie ultra-dünn machen, echte Haltbarkeit erfordert eine molekulare Struktur, die die Sonnenkollektoren dehnbar und zäh macht.

Silizium-Halbleiter

Silizium ist aus Sand gewonnen, was es billig macht. Und die Art und Weise, wie sich seine Atome in einem festen Material einlagern, macht es zu einem guten Halbleiter, dh seine Leitfähigkeit kann durch elektrische Felder oder Licht ein- und ausgeschaltet werden. Weil es billig und nützlich ist, Silizium ist die Basis für die Mikrochips und Leiterplatten in Computern, Mobiltelefone und grundsätzlich alle anderen elektronischen Geräte, die elektrische Signale von einer Komponente zur anderen übertragen. Silizium ist auch der Schlüssel zu den meisten Solarmodulen, da es die Energie von Licht in positive und negative Ladungen umwandeln kann. Diese Ladungen fließen zu den gegenüberliegenden Seiten einer Solarzelle und können wie eine Batterie verwendet werden.

Aber seine chemischen Eigenschaften bedeuten auch, dass er nicht in flexible Elektronik umgewandelt werden kann. Silizium absorbiert Licht nicht sehr effizient. Photonen können direkt durch ein Silizium-Panel passieren, das zu dünn ist, also müssen sie ziemlich dick sein - um 100 Mikrometer, über die Dicke einer Dollarnote - damit nichts vom Licht verschwendet wird.


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Halbleiter der nächsten Generation

Aber Forscher haben andere Halbleiter gefunden, die viel besser Licht absorbieren. Eine Gruppe von Materialien, genannt "Perowskite, "Kann verwendet werden, um Solarzellen herzustellen, die sind fast so effizient wie Silizium, aber mit lichtabsorbierenden Schichten, die ein Tausendstel der Dicke von Silizium sind. Infolgedessen arbeiten Forscher am Bauen Perowskit-Solarzellen, die kleine unbemannte Flugzeuge antreiben können und andere Geräte, bei denen die Gewichtsreduzierung ein Schlüsselfaktor ist.

Die 2000 Nobelpreis für Chemie wurde den Forschern verliehen, die zuerst feststellten, dass sie eine andere Art von ultradünnem Halbleiter herstellen konnten, ein so genanntes halbleitendes Polymer. Diese Art von Material wird als "organischer Halbleiter" bezeichnet, weil es auf Kohlenstoff basiert, und es wird als "Polymer" bezeichnet, da es aus langen Ketten organischer Moleküle besteht. Organische Halbleiter werden bereits kommerziell eingesetzt, unter anderem in der Milliarden-Dollar-Industrie of organische Leuchtdiodenanzeigen, besser bekannt als OLED-Fernseher.

Polymer-Halbleiter sind nicht so effizient bei der Umwandlung von Sonnenlicht in Elektrizität als Perowskite oder Silizium, aber sie sind viel mehr flexibel und potenziell außerordentlich langlebig. Regelmäßige Polymere - nicht die halbleitenden - finden sich überall im täglichen Leben; Sie sind die Moleküle, aus denen Gewebe, Plastik und Farbe bestehen. Polymer-Halbleiter haben das Potenzial, die elektronischen Eigenschaften von Materialien wie Silizium mit den physikalischen Eigenschaften von Kunststoff zu kombinieren.

Das Beste aus zwei Welten: Effizienz und Langlebigkeit

Abhängig von ihrer Struktur haben Kunststoffe eine breite Palette von Eigenschaften - einschließlich Flexibilität, wie mit einer Plane; und Steifigkeit, wie die Karosserieteile einiger Automobile. Halbleitende Polymere haben starre Molekülstrukturen und viele bestehen aus winzigen Kristallen. Diese sind der Schlüssel zu ihren elektronischen Eigenschaften, neigen aber dazu, sie brüchig zu machen, was weder für flexible noch für starre Gegenstände wünschenswert ist.

Die Arbeit meiner Gruppe hat sich darauf konzentriert, Wege zum Schaffen zu finden Materialien mit sowohl guten halbleitenden Eigenschaften als auch der Haltbarkeit Kunststoffe sind bekannt für - ob flexibel oder nicht. Dies ist der Schlüssel zu meiner Idee einer Solarplane oder Decke, könnte aber auch zu Dachbaustoffen, Bodenfliesen im Freien oder vielleicht sogar zu Straßen- oder Parkflächen führen.

Das GesprächDiese Arbeit wird der Schlüssel sein, um die Kraft des Sonnenlichts zu nutzen - denn immerhin enthält das Sonnenlicht, das in einer einzigen Stunde auf die Erde trifft mehr Energie als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht.

Über den Autor

Darren Lipomi, Professor für Nanoengineering, University of California San Diego

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

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