Wie neue Solar- und Beleuchtungstechnologien eine Transformation erneuerbarer Energien vorantreiben könnten

Wie neue Solar- und Beleuchtungstechnologien eine Transformation erneuerbarer Energien vorantreiben könnten
Aktuelle Solartechnologien sind nicht gut genug.
Antonio Garcia über Unsplash, FAL

Die Nachfrage nach billigerem, umweltfreundlicherem Strom führt dazu, dass sich die Energielandschaft schneller verändert als zu jedem anderen Zeitpunkt in der Geschichte. Dies gilt insbesondere für solarbetriebener Strom und Batteriespeicher. Die Kosten für beide sind in den letzten zehn Jahren in beispiellosen Raten gesunken, und für energieeffiziente Technologien wie LED-Beleuchtung haben auch erweitert.

Der Zugang zu billiger und allgegenwärtiger Solarenergie und -speicherung wird die Art und Weise, wie wir Strom produzieren und nutzen, verändern und eine Elektrifizierung des Verkehrssektors ermöglichen. Es gibt Potenzial für neue chemiebasierte Volkswirtschaften, in denen wir erneuerbare Energie als Brennstoffe speichernund unterstützen neue Geräte, aus denen sich ein „Internet der Dinge".

Unsere derzeitigen Energietechnologien werden uns jedoch nicht in diese Zukunft führen: Wir werden bald an Effizienz- und Kostengrenzen stoßen. Das Potenzial für zukünftige Reduzierungen Beispielsweise sind die Stromkosten aus Silizium Solar begrenzt. Die Herstellung jedes Paneels erfordert eine angemessene Menge an Energie und Fabriken teuer zu bauen. Und obwohl die Produktionskosten etwas weiter gedrückt werden können, sind die Kosten für eine Solaranlage jetzt dominiert von den Extras - Installation, Verkabelung, Elektronik und so weiter.

Dies bedeutet, dass derzeitige Solarstromanlagen wahrscheinlich nicht den erforderlichen Teil unseres weltweiten Strombedarfs von 30 TeraWatt (TW) erfüllen (sie produzieren heute weniger als 1 TW). schnell genug Themen wie den Klimawandel anzugehen.

Ebenso sind unsere aktuellen LED-Beleuchtungs- und Anzeigetechnologien zu teuer und nicht in ausreichender Farbqualität, um herkömmliche Beleuchtung in einem ausreichend kurzen Zeitraum realistisch zu ersetzen. Dies ist ein Problem, da die Beleuchtung derzeit eine Rolle spielt 5% der weltweiten Kohlenstoffemissionen. Neue Technologien sind erforderlich, um diese Lücke schnell zu schließen.

Halogenidperowskite

Unser Labor in Cambridge, England, arbeitet mit einer vielversprechenden neuen Materialfamilie namens Halogenidperowskite. Sie sind Halbleiter, die bei Lichtanregung Ladungen leiten. Perowskit-Tinten werden auf Glas oder Kunststoff abgeschieden, um extrem dünne Filme aus Metall, Halogenid und organischen Ionen herzustellen - etwa ein Hundertstel der Breite eines menschlichen Haares. Wenn diese Filme zwischen Elektrodenkontakten eingeklemmt werden, bilden sie Solarzellen- oder LED-Geräte.

Erstaunlicherweise kann die Farbe des Lichts, das sie absorbieren oder emittieren, einfach durch Ändern ihrer chemischen Struktur geändert werden. Indem wir die Art und Weise ändern, wie wir sie anbauen, können wir sie so anpassen, dass sie besser zur Absorption von Licht (für ein Solarpanel) oder zur Emission von Licht (für eine LED) geeignet sind. Dies ermöglicht es uns, Solarzellen und LEDs in verschiedenen Farben herzustellen, die Licht vom Ultraviolett bis zum sichtbaren und nahen Infrarot emittieren.


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Trotz ihrer billigen und vielseitigen Verarbeitung haben sich diese Materialien als bemerkenswert effizient sowohl als Solarzellen als auch als Lichtemitter erwiesen. Perowskit-Solarzellen getroffen 25.2% Wirkungsgrad im Jahr 2019, bei 26.7% kristallinen Siliziumzellen auf den Fersen, und Perowskit-LEDs sind es bereits Annäherung Standardleistung für organische Leuchtdioden (OLED).

Diese Technologien sind schnell kommerzialisiert werdenvor allem an der Solarzellenfront. Oxford Photovoltaics mit Sitz in Großbritannien hat baute eine Produktionslinie und füllt seine ersten Bestellungen aus Anfang 2021. Das polnische Unternehmen Saule Technologies veröffentlichte Ende 2018 Prototypenprodukte, darunter a Perowskit Solarfassadenpilot. Der chinesische Hersteller Microquanta Semiconductor erwartet mehr als 200,000 Quadratmetern von Paneelen in seiner Produktionslinie vor Jahresende. Das in den USA ansässige Unternehmen Swift Solar (ein von mir mitbegründetes Unternehmen) ist wegweisend High-Performance- Zellen mit leichten, flexiblen Eigenschaften.

Farbige lichtemittierende Perowskit-Tinten, die in dünne Filme gegossen werden können.Farbige lichtemittierende Perowskit-Tinten, die in dünne Filme gegossen werden können. © Sandeep Pathak, Autor zur Verfügung gestellt

Zwischen diese und andere UnternehmenEs werden rasche Fortschritte erzielt.

Solarfenster und flexible Paneele

Im Gegensatz zu herkömmlichen Siliziumzellen, die für eine hohe Effizienz sehr gleichmäßig sein müssen, bestehen Perowskitfilme aus Mosaik "Körner" von sehr variabler Größe (von Nanometern bis Millimetern) und Chemie - und dennoch sind sie fast so leistungsfähig wie die besten Siliziumzellen von heute. Was mehr ist, kleine Schönheitsfehler oder Defekte in Perowskitfilmen führen keine signifikanten Leistungsverluste. Solche Defekte wären für ein Siliziumpanel oder eine kommerzielle LED katastrophal.

Obwohl wir immer noch versuchen, dies zu verstehen, zwingen diese Materialien die Community, das Lehrbuch für das, was wir als idealen Halbleiter betrachten, neu zu schreiben: Sie können trotz - oder sehr gute optische und elektronische Eigenschaften haben vielleicht sogar wegen - Störung.

Wir könnten diese Materialien hypothetisch verwenden, um „Designer“ -farbene Solarzellen herzustellen, die sich in Gebäude oder Häuser einfügen, oder Solarfenster, die wie getöntes Glas aussehen und dennoch erzeugt werden Power.

Die eigentliche Chance besteht jedoch darin, hocheffiziente Zellen zu entwickeln, die über die Effizienz von Siliziumzellen hinausgehen. Zum Beispiel können wir zwei verschiedenfarbige Perowskitfilme in a zusammenschichten "Tandem" -Solarzelle. Jede Schicht würde verschiedene Bereiche des Sonnenspektrums ernten und so den Gesamtwirkungsgrad der Zelle erhöhen.

Ein weiteres Beispiel ist die Pionierarbeit von Oxford PV: Hinzufügen einer Perowskitschicht auf einer Standard-Siliziumzelle, um die Effizienz der vorhandenen Technologie zu steigern ohne nennenswerte zusätzliche Kosten. Diese Tandem-Layering-Ansätze könnten schnell eine Effizienzsteigerung von Solarmodulen über 30%, was sowohl die Modul- als auch die Systemkosten senken und gleichzeitig deren Kosten senken würde Energie-Fußabdruck.

Diese Perowskitschichten werden auch entwickelt, um flexible Solarmodule herzustellen, die weiter verarbeitet werden können, um wie Zeitungspapier zu rollen Kosten senken. Leichte Hochleistungssolaren eröffnen auch Möglichkeiten für den Antrieb von Elektrofahrzeugen und Kommunikationssatelliten.

Flexible Perowskit-Prototyp-Solarzelle.Flexible Perowskit-Prototyp-Solarzelle. Plamen Petkov für Scientific American

Bei LEDs können Perowskite fantastische Ergebnisse erzielen Farbqualität was zu fortgeschrittenen führen könnte flexible Anzeigetechnologien. Perowskite könnten auch billigere, höhere Qualität geben weiße Beleuchtung als die heutigen kommerziellen LEDs, bei denen die „Farbtemperatur“ eines Globus hergestellt werden kann, um kühles oder warmweißes Licht oder einen beliebigen Schatten dazwischen zu erzeugen. Sie erzeugen auch Aufregung als Bausteine ​​für zukünftige Quantencomputer, ebenso gut wie Röntgendetektoren für extrem niedrig dosierte medizinische und Sicherheitsbildgebung.

Obwohl die ersten Produkte bereits auf den Markt kommen, gibt es immer noch Herausforderungen. Ein zentrales Thema ist die Demonstration Langzeitstabilität. Die Forschung ist jedoch vielversprechend, und sobald diese gelöst sind, könnten Halogenidperowskite die Transformation unserer Energieerzeugung und unseres Energieverbrauchs wirklich vorantreiben.Das Gespräch

Über den Autor

Sam Stranks, Dozent für Energie und Forschungsstipendiat der Royal Society University, University of Cambridge

Dieser Artikel wird erneut veröffentlicht Das Gespräch unter einer Creative Commons-Lizenz. Lies das Original Artikel.

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