5 ασυνήθιστα ηλιακά πάνελ του μέλλοντος

Σήμερα πυριτίου ηλιακά πάνελ - μακριά από το φινάλε στο μονοπάτι για τον περιορισμό της ενέργειας του ηλιακού φωτός και τη μετατροπή του σε χρήσιμη ηλεκτρική ενέργεια. Πολλά έργα συνεχίζονται από επιστήμονες και σε αυτό το άρθρο θα εξετάσουμε πέντε ασυνήθιστες λύσεις που αναπτύσσουν ορισμένοι από τους σύγχρονους ερευνητές.

Το Αμερικανικό Εθνικό Εργαστήριο Ανανεώσιμων Πηγών Ενέργειας (NREL) είναι χτισμένο μια ηλιακή μπαταρία που βασίζεται σε κρυστάλλους ημιαγωγού, τα μεγέθη των οποίων δεν υπερβαίνουν τα πολλά νανόμετρα, αυτές είναι οι λεγόμενες κβαντικές κουκίδες. Το δείγμα είναι ήδη πρωταθλητής από την άποψη της εξωτερικής και εσωτερικής κβαντικής απόδοσης, η οποία ανήλθε σε 114% και 130% αντίστοιχα.

Αυτά τα χαρακτηριστικά δείχνουν την αναλογία του αριθμού των παραγόμενων ζευγών ηλεκτρονίων-οπών με τον αριθμό των φωτονίων που προσπίπτουν στο δείγμα (εξωτερική κβαντική απόδοση) και την αναλογία του αριθμού των παραγόμενων ηλεκτρονίων με τον αριθμό των απορροφούμενων φωτονίων (εσωτερική κβαντική απόδοση) για μια ορισμένη συχνότητα.

Η εξωτερική κβαντική απόδοση είναι μικρότερη από την εσωτερική, αφού δεν συμπεριλαμβάνονται όλα τα απορροφούμενα φωτόνια στη γενιά, και μερικά από τα φωτόνια που προσπίπτουν στο πάνελ αντανακλώνται απλά.

Το δείγμα αποτελείται από τα ακόλουθα μέρη: ένα γυαλί σε μια επίστρωση αντι-ανακλάσεως, ένα στρώμα διαφανούς αγωγού, στη συνέχεια νανοδομημένα στρώματα οξειδίου του ψευδαργύρου και κβαντικές κουκκίδες από σουλφίδιο του μολύβδου, κατόπιν αιθανοδιθειόλη και υδραζίνη και ένα λεπτό στρώμα χρυσού ως άνω ηλεκτρόδιο.

Η συνολική απόδοση ενός τέτοιου κυττάρου είναι περίπου 4,5%, αλλά αυτό αρκεί για την πειραματικά επιτυγχανόμενη μάλλον υψηλή κβαντική απόδοση αυτού του συνδυασμού υλικών, πράγμα που σημαίνει βελτιστοποίηση και βελτίωση μπροστά.

Ούτε ένα ηλιακό κύτταρο έχει δείξει εξωτερική κβαντική απόδοση πάνω από 100%, ενώ η μοναδικότητα αυτής της ανάπτυξης του NREL έγκειται στο γεγονός ότι κάθε φωτόνιο που πέφτει πάνω στη μπαταρία δημιουργεί περισσότερα από ένα ζεύγη ηλεκτρονίων-οπών στην έξοδο.

Ο λόγος για την επιτυχία ήταν η πολλαπλή παραγωγή excitons (MEG), μια επίδραση που χρησιμοποιήθηκε αρχικά για τη δημιουργία μιας πλήρους ηλιακής μπαταρίας ικανής να παράγει ηλεκτρική ενέργεια. Η ένταση του αποτελέσματος συνδέεται με τις παραμέτρους του υλικού, με το διάκενο ζώνης στον ημιαγωγό, καθώς και με την ενέργεια του προσπίπτοντος φωτονίου.

Το μέγεθος του κρυστάλλου είναι κρίσιμο, δεδομένου ότι βρίσκεται μέσα σε ένα μικρό όγκο που οι κβαντικές κουκίδες περιορίζουν τους φορείς φόρτισης και μπορούν να συλλέξουν υπερβολική ενέργεια, διαφορετικά αυτή η ενέργεια απλά θα χαθεί με τη μορφή θερμότητας.

Το εργαστήριο πιστεύει ότι τα στοιχεία που βασίζονται στο φαινόμενο MEG είναι πολύ αξιόλογοι υποψήφιοι για τον τίτλο μιας νέας γενιάς ηλιακών συλλεκτών.

Μια άλλη ασυνήθιστη προσέγγιση για τη δημιουργία ηλιακών κυττάρων προτάθηκε από τον Prashant Kamat του Πανεπιστημίου της Notre Dame. Η ομάδα του ανέπτυξε μια βαφή βασισμένη σε κβαντικές κουκκίδες διοξειδίου του τιτανίου επικαλυμμένες με σουλφίδιο του καδμίου και σεληνίδιο του καδμίου με τη μορφή μίγματος ύδατος-αλκοόλης.

Η πάστα εφαρμόστηκε σε γυάλινη πλάκα με αγώγιμο στρώμα, έπειτα πυροδοτήθηκε και το αποτέλεσμα ήταν φωτοβολταϊκή μπαταρία. Ένα υπόστρωμα που μετατρέπεται σε φωτοβολταϊκό πάνελ χρειάζεται μόνο ένα ηλεκτρόδιο στην κορυφή και είναι δυνατόν να επιτευχθεί ηλεκτρικό ρεύμα τοποθετώντας τον στον ήλιο.

Οι επιστήμονες πιστεύουν ότι στο μέλλον θα είναι δυνατή η δημιουργία χρωμάτων για αυτοκίνητα και σπίτια και έτσι θα μετατραπεί η οροφή ενός σπιτιού ή το σώμα του αυτοκινήτου, που θα ζωγραφιστεί με αυτό το ειδικό χρώμα, σε ηλιακούς συλλέκτες. Αυτός είναι ο κύριος στόχος των ερευνητών.

Αν και η απόδοση δεν είναι υψηλή, μόνο το 1%, που είναι 15 φορές λιγότερο από τα συμβατικά πάνελ πυριτίου, η ηλιακή βαφή μπορεί να παραχθεί σε μεγάλους όγκους και πολύ φθηνά.Έτσι, οι ενεργειακές ανάγκες στο μέλλον μπορούν να ικανοποιηθούν, λένε οι χημικοί από την ομάδα Kamat, που αποκαλούν τους απογόνους τους "Ήλιος-αξιόπιστος", η οποία μεταφράζεται ως "ηλιακή-πιθανή".

Επόμενο ασυνήθιστο η μέθοδος μετατροπής της ηλιακής ενέργειας προσφορά στο Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης. Ο Andreas Mershin και οι συνεργάτες του δημιούργησαν πειραματικές μπαταρίες βασισμένες σε ένα σύνολο βιολογικών μορίων ικανών να "συλλέγουν" το φως.

Το φωτογραφικό σύστημα PS-1, που δανείστηκε από το κυανοβακτήριο Thermosynechococcus elongatus, προτάθηκε από τον μοριακό βιολόγο Shuguan Zhang και αρκετούς από τους ομοϊδεάτες του 8 χρόνια πριν από την έναρξη των πειραμάτων, Andreas Mershin.

Η αποτελεσματικότητα των συστημάτων αποδείχθηκε ότι ήταν μόνο 0,1% αλλά αυτό είναι ήδη ένα σημαντικό βήμα στην πορεία προς τη μαζική εισαγωγή στην καθημερινή ζωή επειδή το κόστος δημιουργίας τέτοιων συσκευών είναι εξαιρετικά χαμηλό και γενικά βιολογικοί ιδιοκτήτες μπορούν να δημιουργήσουν τις δικές τους μπαταρίες χρησιμοποιώντας ένα σύνολο χημικών ουσιών και μια στοίβα φρεσκοκομμένων χόρτων . Εν τω μεταξύ, ορισμένες βελτιώσεις θα αυξήσουν την αποδοτικότητα σε 1-2%, δηλ. σε εμπορικά βιώσιμο επίπεδο.

Προηγουμένως παρόμοια κύτταρα με φωτοσυστήματα θα μπορούσαν να λειτουργούν λογικά μόνο κάτω από το φως λέιζερ συγκεντρωμένα αυστηρά στο κύτταρο, και στη συνέχεια μόνο σε ένα στενό εύρος μήκους κύματος. Επιπλέον, χρειαζόταν δαπανηρές χημικές ουσίες και εργαστηριακές συνθήκες.

Ένα άλλο πρόβλημα ήταν ότι τα μοριακά σύμπλοκα που εξήχθησαν από τα φυτά δεν θα μπορούσαν να υπάρχουν για πολύ. Τώρα, η ομάδα του ινστιτούτου έχει αναπτύξει ένα σύνολο επιφανειοδραστικών πεπτιδίων που περιβάλλουν το σύστημα και το διατηρούν για μεγάλο χρονικό διάστημα.

Με την αύξηση της αποτελεσματικότητας της συλλογής φωτός, η ομάδα του Ινστιτούτου Τεχνολογίας της Μασαχουσέτης λύθηκε το πρόβλημα της προστασίας των φωτοσυστημάτων από την υπεριώδη ακτινοβολία, η οποία προκάλεσε βλάβη στο φωτοσύστημα.

Το PS-1 δεν σπάρθηκε τώρα σε ένα ομαλό υπόστρωμα, αλλά σε μια επιφάνεια με πολύ μεγάλη αποτελεσματική περιοχή, ήταν σωλήνες διοξειδίου του τιτανίου πάχους 3,8 μm με πόρους 60 nm και πυκνές ράβδους οξειδίου ψευδαργύρου αρκετά μικρόμετρα υψηλά και μερικές εκατοντάδες νανόμετρα σε διάμετρο .

Αυτές οι παραλλαγές της φωτοανάντωσης κατέστησαν δυνατή την αύξηση του αριθμού των μορίων της χλωροφύλλης υπό το φως και προστατεύουν τα σύμπλοκα PS-1 από τις υπεριώδεις ακτίνες, καθώς αμφότερα τα υλικά τα απορροφούν καλά. Επιπλέον, οι σωλήνες τιτανίου και οι ράβδοι ψευδαργύρου παίζουν επίσης το ρόλο ενός πλαισίου και δρουν ως φορείς ηλεκτρονίων, ενώ το PS-1 συλλέγει φως, αφομοιώνει και διαχωρίζει τα φορτία, όπως συμβαίνει στα ζωντανά κύτταρα.

Ένα κύτταρο που εκτέθηκε στον ήλιο έδωσε τάση 0,5 βολτ με ειδική ισχύ 81 μικροϋβ ανά τετραγωνικό εκατοστό και φωτοβολταϊκή πυκνότητα 362 μΑ ανά τετραγωνικό εκατοστό, η οποία είναι 10 φορές υψηλότερη από οποιοδήποτε άλλο βιολογικό σύστημα γνωστό προηγουμένως με βάση τα φυσικά συστήματα φωτοβολταϊκών.

Τώρα ας μιλήσουμε οργανικά πολυμερή με βάση τα ηλιακά κύτταρα. Εάν εγκαθιστούν μαζική παραγωγή, θα είναι πολύ φθηνότερα από τους ανταγωνιστές πυριτίου, παρά το γεγονός ότι έχουν ήδη επιτύχει απόδοση 10,9%. Ηλιακή μπαταρία διπλού πολυμερούς, που δημιουργήθηκε από μια ομάδα επιστημόνων από το Πανεπιστήμιο της Καλιφόρνιας του Λος Άντζελες (UCLA), έχει πολλά στρώματα, καθένα από τα οποία λειτουργεί με το δικό του μέρος του φάσματος.

Ένας επιτυχημένος συνδυασμός διαφορετικών ουσιών που δεν αλληλεπιδρούν όταν εργάζονται μαζί είναι το πιο σημαντικό σημείο. Για το λόγο αυτό, οι συγγραφείς ανέπτυξαν ειδικά συζευγμένα πολυμερή με κενό χαμηλής ζώνης.

Το 2011, οι επιστήμονες κατάφεραν να αποκτήσουν ένα τέτοιο μονοστρωματικό πολυμερές κύτταρο με απόδοση 6%, ενώ το διαδοχικό κύτταρο έδειξε απόδοση 8,62%. Επιπλέον, οι ερευνητές σκόπευαν να επεκτείνουν το φάσμα του φάσματος εργασίας στην υπέρυθρη περιοχή και έπρεπε να προσθέσουν το πολυμερές της ιαπωνικής εταιρείας Sumitomo Chemical, χάρη στην οποία κατάφεραν να επιτύχουν απόδοση 10,9%.

Αυτός ο πιο επιτυχημένος σχεδιασμός αποτελείται από ένα εμπρόσθιο κελί κατασκευασμένο από ένα υλικό με μεγάλο διάκενο ζώνης και ένα πίσω κελί με ένα στενό διάκενο ζώνης.Οι συντάκτες της ανάπτυξης υποστηρίζουν ότι η δημιουργία ενός τέτοιου μετατροπέα, συμπεριλαμβανομένου του κόστους των υλικών, δεν είναι πολύ ακριβό, επιπλέον, η ίδια η τεχνολογία είναι συμβατή με τους ηλιακούς συλλέκτες λεπτού υμενίου που κατασκευάζονται σήμερα.

Φαίνεται ότι τα επόμενα χρόνια, τα ηλιακά κύτταρα που βασίζονται σε οργανικά πολυμερή θα καταστούν εμπορικά βιώσιμα, επειδή οι προγραμματιστές σκοπεύουν να αυξήσουν την αποδοτικότητά τους στο 15%, δηλαδή στο επίπεδο του πυριτίου.

Στρογγυλοποίηση της αναθεώρησης σούπερ λεπτό ηλιακό πάνελ με πάχος 1,9 μικράπου είναι 10 φορές λεπτότερη από οποιαδήποτε άλλη μπαταρία λεπτού υμενίου που δημιουργήθηκε νωρίτερα. Μαζί, ιαπωνικοί και αυστριακοί επιστήμονες δημιούργησαν ένα λεπτό βιολογικό ασυνήθιστα ευέλικτο ηλιακό πάνελ. Κατά την επίδειξη, το προϊόν τυλίχθηκε γύρω από μια ανθρώπινη τρίχα με διάμετρο 70 μm.

Για την κατασκευή της μπαταρίας χρησιμοποιήθηκαν παραδοσιακά υλικά, αλλά το υπόστρωμα κατασκευάστηκε από τερεφθαλικό πολυαιθυλένιο πάχους 1,4 micron. Με απόδοση 4,2%, η ειδική ισχύς της νέας ηλιακής μπαταρίας ήταν 10 watts ανά γραμμάριο, η οποία είναι γενικά 1000 φορές μεγαλύτερη από την αντίστοιχη ένδειξη για μπαταρίες πολυκρυσταλλικού πυριτίου.

Από την άποψη αυτή, φαίνεται να υποσχόμαστε την ανάπτυξη τομέων όπως τα "έξυπνα υφάσματα" και το "έξυπνο δέρμα", όπου εκτός από τα ηλιακά πάνελ, τα ηλεκτρονικά μικροκυκλώματα που δημιουργήθηκαν χρησιμοποιώντας παρόμοια τεχνολογία μπορεί να είναι εξίσου λεπτά και ευέλικτα.

Δείτε επίσης:5 ασυνήθιστα σχέδια των ανεμογεννητριών