5 epätavallista tulevaisuuden aurinkopaneelia

tänään piin aurinkopaneelit - kaukana finaalista tiellä, jolla pyritään hillitsemään auringonvalon energiaa ja sen muuttamista hyödylliseksi sähköenergiaksi. Tutkijat tekevät vielä monia töitä, ja tässä artikkelissa tarkastellaan viittä epätavallista ratkaisua, joita jotkut nykyajan tutkijoista kehittävät.

Yhdysvaltain uusiutuvan energian laboratorio (NREL) rakennetaan puolijohdekiteisiin perustuva aurinkoakku, jonka koot eivät ylitä useita nanometrejä, nämä ovat ns. kvanttipisteitä. Oto on jo mestari ulkoisen ja sisäisen kvantitehokkuuden suhteen, mikä oli vastaavasti 114% ja 130%.

Nämä ominaisuudet osoittavat muodostuneiden elektronireikäparien lukumäärän suhteen näytteessä olevien fotonien lukumäärään (ulkoinen kvanttitehokkuus) ja syntyneiden elektronien lukumäärän suhde absorboituneiden fotonien lukumäärään (sisäinen kvanttitehokkuus) tietylle taajuudelle.

Ulkoinen kvanttitehokkuus on pienempi kuin sisäinen, koska kaikki absorboituneet fotonit eivät osallistu generointiin ja osa paneelissa tapahtuvista fotoneista heijastuu yksinkertaisesti.

Näyte koostuu seuraavista osista: heijastumisen estävässä pinnoitteessa oleva lasi, läpinäkyvän johtimen kerros, sitten nanostrukturoidut kerrokset sinkkioksidia ja kvanttipisteet lyijyselenidiä, sitten etaaniditioli ja hydratsiini ja ohut kultakerros ylemmänä elektrodina.

Tällaisen kennon kokonaistehokkuus on noin 4,5%, mutta tämä riittää tämän materiaalien yhdistelmän kokeellisesti saatuun melko korkeaan kvantitehokkuuteen, mikä tarkoittaa, että optimointi ja parannus ovat edessä.

Yhdelläkään aurinkokennolla ei ole osoitettu ulkoista kvantitehokkuutta yli 100%, kun taas tämän NREL-kehityksen ainutlaatuisuus on siinä, että jokainen akkuun putova fotoni luo ulostulossa useamman kuin yhden elektronireikä-parin.

Syynä menestykseen oli monitehoinen eksitoneiden synty (MEG), vaikutus, jota käytettiin ensin luomaan täysimääräinen aurinkoakku, joka pystyy tuottamaan sähköä. Vaikutuksen voimakkuus liitetään materiaalin parametreihin, puolijohteen kaistaväliin sekä tulevan fotonin energiaan.

Kristallin koko on ratkaisevan tärkeä, koska pienessä tilavuudessa kvanttipisteet rajoittavat varauksen kantajia ja voivat kerätä ylimääräistä energiaa, muuten tämä energia menetetään yksinkertaisesti lämmön muodossa.

Laboratorion mielestä MEG-ilmiöön perustuvat elementit ovat erittäin arvokkaita ehdokkaita uuden sukupolven aurinkopaneelien tittelille.

Prashant Kamat Notre Damen yliopistosta ehdotti toista epätavallista lähestymistapaa aurinkokennojen luomiseen. Hänen ryhmänsä kehitti väriaineen, joka perustui titaanidioksidin kvanttipisteisiin, jotka oli päällystetty kadmium-sulfidilla ja kadmiumselenidillä vesi-alkoholiseoksen muodossa.

Tahna levitettiin lasilevylle, jossa oli johtava kerros, sitten poltettiin ja tuloksena oli aurinkokenno. Valosähköpaneeliksi muunnettu substraatti tarvitsee vain elektrodin päällä, ja on mahdollista saada sähkövirta asettamalla se aurinkoon.

Tutkijat uskovat, että tulevaisuudessa on mahdollista luoda autoihin ja taloihin tarkoitettu maali ja siten muuttaa esimerkiksi talon katto tai tällä erityisellä maalilla maalattu kori aurinkopaneeleiksi. Tämä on tutkijoiden päätavoite.

Vaikka hyötysuhde ei ole korkea, vain 1%, mikä on 15 kertaa vähemmän kuin tavanomaiset piipaneelit, aurinkomaalia voidaan valmistaa suurina määrinä ja erittäin edullisesti.Kamat-ryhmän kemistit sanovat, että tulevaisuuden energiantarpeet voidaan tyydyttää, ja kutsuvat jälkeläisiä «Sun-uskottavia», joka tarkoittaa "aurinko-todennäköistä".

Seuraava epätavallinen aurinkoenergian muuntamismenetelmä tarjous Massachusetts Institute of Technology. Andreas Mershin ja hänen kollegansa loivat kokeelliset akut, jotka perustuvat biologisten molekyylien kompleksiin, jotka kykenevät "keräämään" valoa.

Syaanibakteerista Thermosynechococcus elongatus lainattua PS-1-valosysteemiä ehdottivat molekyylibiologi Shuguan Zhang ja monet hänen samanmielisistä ihmisistä 8 vuotta ennen nykyisten kokeiden alkua, Andreas Mershin.

Järjestelmien hyötysuhde osoittautui vain noin 0,1%, mutta tämä on jo tärkeä askel kohti tietämystä massasta jokapäiväiseen elämään, koska tällaisten laitteiden luomiskustannukset ovat erittäin alhaiset ja yleensä biologiset omistajat voivat luoda omat paristot käyttämällä kemikaalisarjaa ja pinoa juuri leikattua ruohoa. . Samaan aikaan joukko parannuksia lisää tehokkuutta 1-2%: iin, ts. kaupallisesti kannattavaan tasoon.

Aikaisemmin samanlaiset valosysteemillä varustetut solut pystyivät toimimaan kohtuudella vain tiukasti soluun keskittyneessä laservalossa ja sitten vain kapealla aallonpituusalueella. Lisäksi tarvittiin kalliita kemikaaleja ja laboratorio-olosuhteita.

Toinen ongelma oli, että kasveista uutetut molekyylikompleksit eivät voineet olla olemassa pitkään. Nyt instituutin ryhmä on kehittänyt joukon pinta-aktiivisia peptidejä, jotka ympäröivät järjestelmää ja pitävät sitä pitkään.

Lisäämällä valonkeruun tehokkuutta Massachusettsin teknillisen instituutin ryhmä ratkaisi ongelman, joka koski valokuvien järjestelmien suojelemista ultraviolettisäteilyltä, joka aiemmin vaurioitti valojärjestelmää.

PS-1 kylvettiin nyt ei sileälle alustalle, mutta pinnalle, jolla on erittäin suuri tehollinen pinta-ala, nämä olivat 3,8 μm paksuja titaanidioksidiputkia, joiden huokoset olivat 60 nm, ja tiheät sinkkioksiditankoet, joiden korkeus oli useita mikrometriä ja halkaisija useita satoja nanometriä. .

Nämä fotoanodin variantit tekivät mahdolliseksi lisätä klorofyylimolekyylien lukumäärää valossa ja suojasivat PS-1-komplekseja ultraviolettisäteiltä, ​​koska molemmat materiaalit absorboivat niitä hyvin. Lisäksi titaaniputket ja sinkityypit toimivat myös kehyksen roolina ja toimivat elektronikantoisina, kun taas PS-1 kerää valoa, assimiloi sen ja erottaa varaukset, kuten elävissä soluissa tapahtuu.

Aurinkoon altistettu solu antoi jännitteen 0,5 volttia ominaisteholla 81 mikroW neliö senttimetriä kohden ja valovirran tiheys 362 μA neliö senttimetrillä, joka on 10 kertaa suurempi kuin mikään muu biovoimainen järjestelmä, joka aiemmin tunnettiin luonnollisten valojärjestelmien perusteella.

Nyt puhutaan orgaaniset polymeeripohjaiset aurinkokennot. Jos ne perustavat massatuotannon, ne ovat paljon halvempia kuin piin kilpailijat, vaikka ne ovat jo saavuttaneet 10,9 prosentin hyötysuhteen. Tandem-polymeeri aurinkoakku, jonka on luonut tutkijaryhmä Los Angelesin Kalifornian yliopistosta (UCLA), on useita kerroksia, joista jokainen toimii omalla spektrin osallaan.

Tärkein asia on onnistunut yhdistelmä erilaisia ​​aineita, jotka eivät häiritse toisiaan työskennellessään yhdessä. Tästä syystä kirjoittajat kehittivät erityisesti konjugoituja polymeerejä, joilla on pieni kaistarako.

Vuonna 2011 tutkijat onnistuivat saamaan sellaisen yksikerroksisen polymeerikennon, jonka hyötysuhde oli 6%, kun taas tandem-kennon hyötysuhde oli 8,62%. Edelleen työskennellessään tutkijat pyrkivät laajentamaan työalueen spektriä infrapuna-alueella, ja heidän piti lisätä japanilaisen Sumitomo Chemical -yhtiön polymeeri, jonka avulla he onnistuivat saavuttamaan 10,9%: n hyötysuhteen.

Tämä menestynein malli koostuu etukennosta, joka on tehty materiaalista, jolla on suuri kaistarako, ja takakennosta, jolla on kapea kaistara.Kehityksen tekijät väittävät, että tällaisen muuntimen luominen, mukaan lukien materiaalikustannukset, ei ole kovin kallista, lisäksi tekniikka itsessään on yhteensopiva nykyään valmistettujen ohutkalvoisten aurinkopaneelien kanssa.

Näyttää siltä, ​​että muutaman seuraavan vuoden aikana orgaanisiin polymeereihin perustuvista aurinkokennoista tulee kaupallisesti kannattavia, koska kehittäjät suunnittelevat lisäävänsä tehokkuuttaan 15%: iin, toisin sanoen piipitoisuuteen.

Pyöristämällä arvostelu super ohut aurinkopaneeli, paksuus 1,9 mikroniajoka on 10 kertaa ohuempi kuin muut aikaisemmin luodut ohutkalvoakut. Japanilaiset ja itävaltalaiset tutkijat loivat yhdessä ohuen orgaanisen epätavallisen joustavan aurinkopaneelin. Esittelyssä tuote käärittiin hiuksen ympärille, jonka halkaisija oli 70 um.

Akun valmistuksessa käytettiin perinteisiä materiaaleja, mutta substraatti tehtiin 1,4 mikronin paksuisesta polyeteenitereftalaatista. 4,2%: n hyötysuhteella uuden aurinkoakun ominaisteho oli 10 wattia grammaa kohti, mikä on yleensä 1 000 kertaa suurempi kuin monikiteisten piiparistojen vastaava indikaattori.

Tältä osin näyttää lupaavalta kehittää sellaisia ​​alueita kuin ”älykkäät tekstiilit” ja ”älykäs iho”, joissa aurinkopaneelien lisäksi samanlaisella tekniikalla luodut elektroniset mikropiirit voivat olla yhtä ohut ja joustava.

Katso myös:5 epätavallista tuuligeneraattorien mallia