我们如何设计太阳能用于从太阳发电

我们如何设计太阳能用于从太阳发电

一小块原型太阳篷布。 加州大学圣地亚哥分校 CC BY-ND

太阳能电池板的发电潜力 - 以及它们使用的关键限制 - 是它们所构成的结果。 由硅制成的面板价格在下降,因此在某些地方他们可以提供电力 成本与化石燃料的动力大致相同 像煤和天然气。 但硅太阳能电池板也很庞大,刚性和脆性,所以它们不能在任何地方使用。

在世界上许多没有常规电力的地方,太阳能电池板可以提供 天黑后读光 和能源 泵饮用水, 帮帮我 为小型家庭或村庄企业提供电力 甚至服务 紧急避难所和难民营。 但硅太阳能电池板的机械脆性,沉重和运输困难表明硅可能不是理想的。

建立在 别人的工作, 我的研究小组 正在努力 开发柔性太阳能电池板,它将像硅面板一样高效,但是薄,重量轻,可弯曲。 这种设备,我们称之为“太阳能篷布,“可以分散到一个房间的大小,并从太阳发电,它可以被揉成一个葡萄柚的大小,并在背包中填充多达1,000次,而不会破裂。 虽然已经做了一些努力,使有机太阳能电池更加灵活 使它们超薄,真正的耐久性需要一种分子结构,使太阳能电池板可伸缩和坚韧。

硅半导体

硅来自沙子,这使得它很便宜。 它的原子包裹在固体材料中的方式使其成为一种良好的半导体,这意味着它的导电性可以通过电场或光源打开和关闭。 因为它便宜又有用, 硅是计算机中微芯片和电路板的基础,移动电话和基本上所有其他电子设备,将电信号从一个组件传输到另一个组件。 硅也是大多数太阳能电池板的关键,因为它可以将光能转化为正电荷和负电荷。 这些电荷流向太阳能电池的相对侧,可以像电池一样使用。

但它的化学性质也意味着它不能变成柔性电子产品。 硅不能非常有效地吸收光。 光子可能会穿过太薄的硅面板,所以它们必须相当厚 - 大约是100千分尺, 关于美元钞票的厚度 - 这样就不会浪费任何光线。


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下一代半导体

但研究人员发现其他半导体在吸收光线方面要好得多。 一组材料,称为“钙钛矿,“可以用来制造太阳能电池 几乎和硅一样有效,但光吸收层的厚度是硅所需厚度的千分之一。 因此,研究人员正致力于建设 钙钛矿太阳能电池,可以为小型无人机提供动力 和其他减重是关键因素的设备。

在此 2000诺贝尔化学奖 研究人员首先发现他们可以生产另一种超薄半导体,称为半导体聚合物。 这种类型的材料被称为“有机半导体”,因为它基于碳,并且它被称为“聚合物”,因为它由长链的有机分子组成。 有机半导体已经在商业上使用,包括在 十亿美元的产业 of 有机发光二极管显示器,更有名的OLED电视。

聚合物半导体在将太阳​​光转化为电能方面不如钙钛矿或硅那么有效,但它们更多 灵活且可能非常耐用。 常规聚合物 - 不是半导体聚合物 - 在日常生活中随处可见; 它们是组成织物,塑料和油漆的分子。 聚合物半导体具有将硅等材料的电子特性与塑料的物理特性相结合的潜力。

两全其美:效率和耐用性

根据其结构,塑料具有广泛的性能 - 包括柔韧性,如篷布; 和刚性,就像一些汽车的车身板。 半导体聚合物具有刚性分子结构,并且许多由微小晶体组成。 这些是它们的电子特性的关键,但往往使它们变脆,这对于柔性或刚性物品来说不是理想的属性。

我的小组的工作重点是确定创建方法 具有良好半导体特性和耐久性的材料 塑料是众所周知的 - 无论是否灵活。 这对我的太阳篷布或毯子的想法至关重要,但也可能导致屋顶材料,户外地砖或甚至是道路或停车场的表面。

谈话这项工作对于利用阳光的力量至关重要 - 毕竟,在一小时内撞击地球的阳光包含 比一年中所有人类使用的能量更多.

关于作者

Darren Lipomi,纳米工程教授, 加州圣地亚哥大学

这篇文章最初发表于 谈话。 阅读 原创文章.

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