我们如何从太阳获得更多的能量

沃尔玛屋顶上的太阳能电池板,山景城,加利福尼亚州。 Walmart / Flickr,CC BY沃尔玛屋顶上的太阳能电池板,山景城,加利福尼亚州。
沃尔玛/ Flickr的, CC BY

随着发展中国家走向工业化,全球对能源的需求正在逐渐增加。 专家估计,截至今年2050,全球电力需求可能达到 30 terawatts (TW)。 为了透视,一个terawatt大致等于1.3十亿马的功率。

太阳的能量是无限的 - 太阳在任何给定的瞬间都能提供120,000 TW的功率,而且是免费的。 但今天太阳能提供 只有百分之一左右 的世界电力。 关键的挑战是将光能转换成可用的电能成本较低。

要做到这一点,我们需要找到吸收阳光的材料,并有效地将其转化为电力。 此外,我们希望这些材料丰富,环保和成本效益,制造成太阳能设备。

来自世界各地的研究人员正在努力开发高效且经济实惠的太阳能电池技术。 目标是把太阳能发电的安装成本降到每瓦1美元以下 每瓦大约$ 3今天.

在宾厄姆顿大学的 自主太阳能中心(CASP)我们正在研究如何使用自然界中丰富且无毒的材料来制造薄膜太阳能电池。 我们希望开发可靠,太阳能转化效率高,制造成本低廉的太阳能电池。 我们已经确定了两种太阳能吸收材料具有巨大潜力的材料:黄铁矿,因其金属光泽而更为人称之为傻瓜金; 和铜 - 锌 - 锡硫化物(CZTS)。

寻求理想的材料

今天的商业太阳能电池由三种材料中的一种制成:硅,碲化镉(CdTe)和铜铟镓硒(CIGS)。 各有优点和缺点。

硅太阳能电池的效率很高,可以将高达25%的阳光转化为电能,而且非常耐用。 然而,将硅加工成晶片是非常昂贵的。 而且这些晶圆必须非常厚(大约为0.3毫米,对于太阳能电池来说太厚),以吸收落在其上的所有阳光,这进一步增加了成本。

硅太阳能电池 - 通常被称为第一代太阳能电池 - 被用于已经成为屋顶上熟悉的景点的面板中。 我们中心正在研究另一种称为薄膜太阳能电池的类型,这是下一代太阳能技术。 顾名思义,薄膜太阳能电池是通过将太阳能吸收材料薄层放置在通常可以是柔性的基板(例如玻璃或塑料)上而制成的。

这些太阳能电池使用较少的材料,因此它们比由硅制成的晶体太阳能电池便宜。 在柔性衬底上涂覆晶体硅是不可能的,所以我们需要使用不同的材料作为太阳能吸收体。

尽管薄膜太阳能技术正在迅速改进,但是当今薄膜太阳能电池中的一些材料是稀缺的或危险的。 例如,CdTe中的镉对所有生物都具有高度毒性,并且已知会导致人类癌症。 CdTe可以在高温下分离成镉和碲(例如在实验室或家中),造成严重的吸入危险。

我们正在与硫铁矿和CZTS合作,因为它们无毒且价格便宜。 CZTS的成本约为每瓦0.005美分,黄铁矿成本 每瓦仅为0.000002美分。 它们也是地壳中含量最丰富的材料之一,能有效地吸收可见光谱。 这些薄膜可以像1 / 1000th毫米一样薄。

在模拟的阳光下测试CZTS太阳能电池。 塔拉达卡尔/宾厄姆顿大学,作者提供 在模拟的阳光下测试CZTS太阳能电池。
塔拉达卡尔/宾厄姆顿大学,作者提供
我们需要在将这些材料制作成太阳能电池之前将这些材料结晶。 这是通过加热来完成的。 CZTS在低于600摄氏度的温度下结晶,而硅在1,200摄氏度或更高温度下结晶,这使得加工成本更低。 它的性能与高效率的铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池非常相似,现在已经在市场上销售,但用更便宜,更丰富的锌和锡代替了这些电池中的铟和镓。

然而到目前为止,CZTS太阳能电池的效率相对较低:转换效率低于 13 percent 的阳光照在他们身上,相比之下20比较昂贵的CIGS太阳能电池。

我们知道CZTS太阳能电池具有30效率的潜力。 主要挑战是1)合成高质量的CZTS薄膜,没有任何杂质痕迹,2)为它下面的“缓冲层”找到合适的材料,这有助于收集阳光在吸收层中产生的电荷。 我们的实验室已经生产出了CZTS薄膜 百分之七的效率; 我们希望通过合成高质量的CZTS层和寻找合适的缓冲层来尽快提高15效率。

CZTS太阳能电池的结构。 塔拉达卡尔/宾厄姆顿大学,作者提供CZTS太阳能电池的结构。
Tara Dhakal / Binghamton大学,作者提供
黄铁矿是另一种可以在非常低的温度下合成的潜在吸收剂。 我们的实验室合成了黄铁矿薄膜,现在我们正在将这些薄膜分层成太阳能电池。 这个过程是具有挑战性的,因为当它暴露在高温和潮湿的环境中时,黄铁矿易于分解。 我们正在研究如何使其更稳定,而不会影响其太阳吸收性和机械性能。 如果能解决这个问题,“傻瓜黄金”可以变成智能光伏设备。

在最近的一项研究中,斯坦福大学和加州大学伯克利分校的研究人员估计,太阳能可以提供 达到45百分比 美国电力2050。 为了实现这一目标,我们需要不断降低太阳能发电的成本,并寻求使太阳能电池更具可持续性的方法。 我们认为,丰富的无毒材料是实现太阳能发电潜力的关键。

关于作者

达卡尔塔拉纽约州立大学Binghamton大学电子与计算机工程助理教授Tara P. Dhakal。 他的研究兴趣在于可再生能源,特别是太阳能。 他的研究目标是实现环境友好且经济实惠的太阳能电池技术。

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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