Panel solar di atas bumbung Walmart, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY

Permintaan global untuk tenaga semakin meningkat sejam apabila negara-negara sedang membangun menuju perindustrian. Pakar menganggarkan bahawa pada tahun 2050, permintaan seluruh dunia untuk tenaga elektrik boleh dicapai 30 terawatts (TW). Untuk perspektif, satu terawatt kira-kira sama dengan kuasa 1.3 bilion kuda.

Tenaga dari matahari tidak terbatas - matahari memberikan kami 120,000 TW kuasa pada setiap masa yang diberikan - dan ia adalah percuma. Tetapi hari ini tenaga solar menyediakan hanya kira-kira satu peratus daripada elektrik dunia. Cabaran kritikal menjadikannya lebih murah untuk menukar tenaga foto ke dalam tenaga elektrik yang boleh digunakan.

Untuk melakukan itu, kita perlu mencari bahan yang menyerap sinar matahari dan mengubahnya menjadi elektrik dengan cekap. Di samping itu, kami mahu bahan-bahan ini menjadi banyak, mesra alam dan kos efektif untuk menghasilkan peranti solar.

Penyelidik dari seluruh dunia sedang berusaha untuk membangunkan teknologi sel solar yang cekap dan berpatutan. Matlamatnya adalah untuk membawa kos pemasangan tenaga suria di bawah US $ 1 per watt, berbanding dengan kira-kira $ 3 setiap watt hari ini.

Di Universiti Binghamton Pusat Kuasa Suria Autonomi (CASP), kami menyiasat cara untuk membuat sel solar filem nipis menggunakan bahan-bahan yang bersifat berlimpah dan nontoxic. Kami ingin membangunkan sel-sel solar yang boleh dipercayai, sangat berkesan untuk menukarkan cahaya matahari kepada elektrik dan murah untuk dihasilkan. Kami telah mengenal pasti dua bahan yang mempunyai potensi besar sebagai penyerap solar: pirit, yang lebih dikenali sebagai emas bodoh kerana kilauan logamnya; dan tembaga-zink-tin-sulfida (CZTS).

Mencari bahan yang sesuai

Sel solar komersil hari ini diperbuat daripada satu daripada tiga bahan: silikon, kadmium telluride (CdTe) dan tembaga-indium-gallium-selenide (CIGS). Setiap mempunyai kekuatan dan kelemahan.

Silikon solar sel adalah sangat cekap, menukar sehingga 25 peratus cahaya matahari yang jatuh ke dalamnya menjadi elektrik, dan sangat tahan lama. Walau bagaimanapun, ia sangat mahal untuk memproses silikon ke wafer. Dan wafer ini harus sangat tebal (kira-kira 0.3 milimeter, yang tebal untuk sel suria) untuk menyerap semua cahaya matahari yang jatuh ke atas mereka, yang seterusnya meningkatkan kos.

Sel solar silikon - selalunya dirujuk sebagai sel solar generasi pertama - digunakan dalam panel yang menjadi pemandangan biasa di atas bumbung. Pusat kami sedang mengkaji satu lagi jenis yang dikenali sebagai sel solar filem tipis, yang merupakan teknologi solar generasi akan datang. Seperti namanya namanya, sel solar filem tipis dibuat dengan meletakkan lapisan nipis bahan penyerap solar di atas substrat, seperti kaca atau plastik, yang biasanya boleh fleksibel.

Sel solar ini menggunakan bahan yang kurang, jadi mereka lebih murah daripada sel solar kristal yang terbuat dari silikon. Tidak mungkin untuk melapisi silikon kristal pada substrat yang fleksibel, jadi kami memerlukan bahan yang berbeza untuk digunakan sebagai penyerap solar.

Walaupun teknologi solar filem nipis bertambah dengan pesat, beberapa bahan dalam filem solar sel nipis hari ini jarang atau berbahaya. Sebagai contoh, kadmium dalam CdTe sangat toksik kepada semua makhluk hidup dan diketahui menyebabkan kanser pada manusia. CdTe boleh memisahkan kadmium dan tellurium pada suhu tinggi (contohnya, di makmal atau rumah tangga), yang menimbulkan risiko penyedutan yang serius.

Kami bekerja dengan pyrite dan CZTS kerana mereka tidak noksik dan sangat murah. CZTS berharga kira-kira 0.005 sen setiap watt, dan kos pyrite hanya 0.000002 sen setiap watt. Mereka juga adalah antara bahan yang paling banyak di kerak bumi, dan menyerap spektrum cahaya matahari yang dilihat dengan cekap. Filem-filem ini boleh menjadi nipis seperti 1 / 1000th daripada milimeter.

Menguji sel solar CZTS di bawah cahaya matahari yang diselaraskan.
Tara Dhakal / Universiti Binghamton, Pengarang disediakanKita perlu mengkristalisasikan bahan-bahan ini sebelum kita dapat membuatnya menjadi sel solar. Ini dilakukan dengan memanaskan mereka. CZTS mengkristal pada suhu di bawah 600 degree Celsius, berbanding 1,200 darjah Celcius atau lebih tinggi untuk silikon, yang menjadikannya lebih murah untuk diproses. Ia berfungsi seperti sel solar indium gallium selenide (CIGS) yang cekap tinggi, yang kini boleh didapati secara komersil, tetapi menggantikan indium dan galium dalam sel ini dengan zink dan tin yang lebih murah dan lebih banyak.

Setakat ini, bagaimanapun, CZTS sel suria agak tidak cekap: mereka menukar kurang daripada Peratus 13 daripada cahaya matahari yang jatuh ke atas mereka kepada elektrik, berbanding peratus 20 untuk sel solar CIGS yang lebih mahal.

Kami tahu bahawa sel solar CZTS mempunyai potensi untuk menjadi 30 peratus yang cekap. Cabaran utama adalah 1) mensintesis filem tipis CZTS berkualiti tinggi tanpa sebarang kesan kekotoran dan 2) mencari bahan yang sesuai untuk lapisan "penyangga" di bawahnya, yang membantu mengumpul caj elektrik yang sinar matahari mencipta lapisan penyerap. Makmal kami telah menghasilkan filem tipis CZTS dengan tujuh peratus kecekapan; kami berharap untuk mendekati kecekapan peratus 15 tidak lama lagi dengan mensintesis lapisan CZTS berkualiti tinggi dan mencari lapisan penampan yang sesuai.

Struktur sel solar CZTS.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Pengarang disediakanPyrite adalah penyerap lain yang boleh disintesis pada suhu yang sangat rendah. Makmal kami telah mensintesis filem tipis pyrite, dan sekarang kami sedang berusaha untuk menyusun filem-filem tersebut ke dalam sel solar. Proses ini mencabar kerana pirit mudah rosak apabila terdedah kepada haba dan kelembapan. Kami sedang meneliti cara untuk menjadikannya lebih stabil tanpa menjejaskan penyerapan solar dan sifat mekaniknya. Jika kita dapat menyelesaikan masalah ini, "emas bodoh" boleh berubah menjadi peranti photovoltaic pintar.

Dalam satu kajian baru-baru ini, para penyelidik di Stanford University dan University of California di Berkeley menganggarkan bahawa tenaga solar boleh memberi sehingga peratus 45 daripada elektrik AS oleh 2050. Untuk mencapai sasaran itu, kita perlu terus mengurangkan kos tenaga solar dan mencari jalan untuk membuat sel solar lebih stabil. Kami percaya bahawa bahan-bahan yang tidak bermutu adalah kunci untuk merealisasikan potensi tenaga solar.

Tentang Pengarang

Tara P. Dhakal, Penolong Profesor Kejuruteraan Elektrik dan Komputer, Binghamton University, Universiti Negeri New York. Kepentingan penyelidikannya adalah dalam tenaga boleh diperbaharui, khususnya tenaga solar. Matlamat penyelidikannya adalah untuk mencapai teknologi sel suria yang berpatutan dari segi alam sekitar dan ekonomi.

Artikel ini pada asalnya diterbitkan pada Perbualan. Membaca artikel asal.

Buku-buku yang berkaitan

at InnerSelf Market dan Amazon