Υπερβολικά λεπτά πολυστρωματικά ηλιακά κύτταρα βασισμένα σε νανοδομημένα υλικά

Οι επιστήμονες σε όλο τον κόσμο δίνουν μεγάλη προσοχή στη βελτίωση των συστημάτων μετατροπής της ηλιακής ενέργειας. Σε μια προσπάθεια να αυξήσουν την αποδοτικότητά τους και να μειώσουν όσο το δυνατόν περισσότερο το κόστος της άμεσης παραγωγής ηλιακών συλλεκτών, οι επιστήμονες του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης αποφάσισαν να ακολουθήσουν την πορεία μείωσης του πάχους των ηλιακών κυψελών.

Ο νέος τύπος πάνελ μπορεί να ξεπεράσει όλες αυτές τις λύσεις και, όσον αφορά την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας ανά χιλιόγραμμο υλικού που χρησιμοποιείται, θα είναι κατώτερο μόνο από το ουράνιο. Τέτοια πλαίσια μπορούν να κατασκευαστούν από φύλλα διπλωμένα σε πολλά στρώματα. graφένιο ή δισουλφιδίου του μολυβδαινίου, το πάχος του οποίου είναι μόνο ένα μόριο (στοίβες μονομοριακών φύλλων). Οι επιστήμονες υποστηρίζουν ότι αυτή η προσέγγιση θα γίνει τελικά η καλύτερη δυνατή προσέγγιση για την ανάπτυξη της ηλιακής ενέργειας.

Ο Jeffrey Grossman, βοηθός καθηγητής ενέργειας στο Ινστιτούτο Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης, λέει ότι παρά τη μεγάλη προσοχή από τους επιστήμονες που ερευνούν δισδιάστατα υλικά που μοιάζουν με γκράφι, οι δυνατότητες αυτών των υλικών για χρήση σε ηλιακά συστήματα μετατροπής έχουν παραβλεφθεί εντελώς τα τελευταία χρόνια. Αποδείχθηκε ότι αυτά τα υλικά δεν είναι μόνο καλά, αλλά είναι πολύ καλά στην αντιμετώπιση του έργου που τους έχει ανατεθεί.

Μακροπρόθεσμα, δύο στρώματα πάχους ενός ατόμου, όπως παρουσιάζονται στην ομάδα Grossman, θα δώσουν απόδοση 1-2%, μετατρέποντας την ενέργεια του ηλιακού φωτός σε ηλεκτρική ενέργεια. Φαίνεται μικρή σε σύγκριση με την αποτελεσματικότητα 15-20% παραδοσιακά στοιχεία πυριτίου, ωστόσο, είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι το αποτέλεσμα επιτυγχάνεται με τη χρήση υλικών χιλιάδων φορές λεπτότερων από το χαρτί υγείας.

Μια μπαταρία δύο επιπέδων πάχους 1 νανομέτρου είναι εκατοντάδες χιλιάδες φορές λεπτότερη από ένα συμβατικό πυρίτιο, επομένως, με την τοποθέτηση αυτών των λεπτότερων φύλλων σε πολλά στρώματα, μπορείτε να αυξήσετε σημαντικά και να ξεπεράσετε τη συνηθισμένη απόδοση των ηλιακών κυψελών. Αυτό θα δημιουργήσει σημαντικό ανταγωνισμό για την καθιερωμένη τεχνολογία, σύμφωνα με τους συν-συγγραφείς του Grossman.

Όπου το βάρος είναι κρίσιμο, όπως σε διαστημικά οχήματα, σε αερομεταφορές και σε περιοχές του αναπτυσσόμενου κόσμου όπου το κόστος μεταφοράς είναι σημαντικό, τέτοια ελαφρά στοιχεία έχουν ήδη μεγάλες δυνατότητες.

Σε σύγκριση με το βάρος, τα νέα ηλιακά πάνελ θα παράγουν έως και 1000 φορές περισσότερη ενέργεια από τις συμβατικές μπαταρίες. Ταυτόχρονα, η λεπτότερη από τη συμβατική τεχνολογία που παράγεται μέχρι σήμερα τα ηλιακά κύτταρα εξακολουθεί να υπερβαίνει τα νέα με 50 φορές το βάρος.

Αυτό δεν είναι μόνο η ευκολία μεταφοράς, αλλά και η ευκολία εγκατάστασης των πάνελ, επειδή το ήμισυ του κόστους των σημερινών ηλιακών συλλεκτών είναι το κόστος της δομής στήριξης και του συστήματος σύνδεσης και ελέγχου. Αυτά τα κόστη μπορούν να μειωθούν σημαντικά με τη χρήση ελαφρύτερων σχεδίων.

Επιπλέον, το ίδιο το υλικό είναι πολύ φθηνότερο από το πυρίτιο της απαιτούμενης καθαρότητας, το οποίο χρησιμοποιείται σε τυποποιημένα ηλιακά κύτταρα, επειδή τα φύλλα είναι τόσο λεπτά ώστε απαιτούν πολύ μικρή ποσότητα πρώτων υλών.

Αυτό είναι ένα εντυπωσιακό παράδειγμα του πώς τα νανοδομημένα υλικά μπορούν να αποτελέσουν τη βάση για το σχεδιασμό των τελευταίων ενεργειακών συσκευών. Η μηχανική αντοχή και ευκαμψία αυτών των λεπτών στρωμάτων αναμένεται επίσης να είναι υψηλή. Οι προγραμματιστές λένε ότι αυτή είναι μόνο η αρχή μιας νέας γενιάς υλικών για την ηλιακή ενέργεια.

Αφενός, το δισουλφίδιο του μολυβδαινίου και το δισλενίδιο του μολυβδαίνιου που χρησιμοποιούνται σε αυτό το έργο είναι μόνο δύο από τα πολλά δισδιάστατα υλικά που θα μπορούσαν ενδεχομένως να χρησιμοποιηθούν εδώ, για να μην αναφέρουμε τους διάφορους συνδυασμούς τους για χρήση μαζί.

Οι ερευνητές πιστεύουν ότι πολλά υλικά πρέπει να μελετηθούν και έχουν ήδη δημιουργηθεί οι προϋποθέσεις για προβληματισμό. Οι επιστήμονες μπορούν πλέον να εξετάσουν αυτά τα υλικά με έναν εντελώς νέο τρόπο.

Και, αν και δεν υπάρχουν σήμερα βιομηχανικές μέθοδοι για την παραγωγή δισουλφιδίου του μολυβδαινίου και του δισλενιδίου του μολυβδαίνιου, πρόκειται για τομέα ενεργητικής έρευνας. Η δυνατότητα κατασκευής είναι ένα σημαντικό ζήτημα, αλλά αυτό το πρόβλημα είναι επιλύσιμο.

Ένα επιπλέον πλεονέκτημα τέτοιων υλικών είναι η μακροπρόθεσμη σταθερότητά τους ακόμη και στην ύπαιθρο, ενώ άλλα ηλιακά υλικά απαιτούν προστατευτική επίστρωση με βαριά στρώματα από γυαλί, η οποία είναι επίσης δαπανηρή. Στην πραγματικότητα, υπάρχει αντίσταση στην έκθεση τόσο στο υπεριώδες φως όσο και στην υγρασία, γεγονός που καθιστά τη νέα λύση πολύ αξιόπιστη.

Η προκαταρκτική εργασία περιελάμβανε μόνο τη μοντελοποίηση των υλικών από υπολογιστές, αλλά τώρα μια ομάδα επιστημόνων προσπαθεί να κατασκευάσει τις ίδιες τις συσκευές. Φυσικά, αυτό είναι μόνο η κορυφή του παγόβουνου, από τη σκοπιά της χρήσης δισδιάστατων υλικών για την παραγωγή "καθαρής ενέργειας", λένε οι επιστήμονες.