Solenergi: Hur en "Solar Tarp" -design kan utnyttja solens kraft

Den energiproducerande potentialen i solpaneler - och en nyckelbegränsning för användningen - är ett resultat av vad de är gjorda av. Paneler av kisel faller i pris så att de på vissa ställen kan ge el som kostar ungefär samma som kraft från fossila bränslen som kol och naturgas. Men kisel solpaneler är också skrymmande, styva och spröda, så de kan inte användas var som helst.

I många delar av världen som inte har regelbunden elektricitet kan solpaneler ge läslampa efter mörker och energi för att pumpa dricksvatten, hjälpa till med att driva små hushålls- eller bybaserade företag eller till och med betjäna nödhem och flyktingläger. Men den mekaniska sårbarheten, tyngdpunkten och transportsvårigheterna hos kisel solpaneler tyder på att kisel kanske inte är idealisk.

Med hjälp av andras arbete arbetar min forskningsgrupp med att utveckla flexibla solpaneler, vilket skulle vara lika effektivt som en silikonpanel, men skulle vara tunn, lätt och böjbar. Denna typ av apparat, som vi kallar en "soltapp", kan spridas ut i storleken på ett rum och generera elektricitet från solen, och den kan bli böjd upp för att vara storleken på en grapefrukt och fylld i en ryggsäck som många som 1000 gånger utan att bryta. Medan det har gjorts en del ansträngningar för att göra organiska solceller mer flexibla genom att göra dem extremt tunna, kräver verklig hållbarhet en molekylär struktur som gör solpanelerna töjbara och tuffa.

Silikon halvledare

Silikon är härledd från sand, vilket gör det billigt. Och det sätt som dess atomer packar i ett fast material gör det till en bra halvledare, vilket betyder att dess konduktivitet kan slås på och av med elektriska fält eller ljus. Eftersom det är billigt och användbart är kiselbasen grunden för mikrochips och kretskort i datorer, mobiltelefoner och i princip all annan elektronik som sänder elektriska signaler från en komponent till en annan. Silikon är också nyckeln till de flesta solpaneler, eftersom det kan omvandla energin från ljus till positiva och negativa laddningar. Dessa avgifter strömmar till motsatta sidor av en solcell och kan användas som ett batteri.

Men dess kemiska egenskaper betyder också att den inte kan omvandlas till flexibel elektronik. Silikon absorberar inte ljuset mycket effektivt. Foton kan passera direkt genom en silikonpanel som är för tunn, så de måste vara ganska tjocka - runt 100 mikrometer, om tjockleken på en dollarräkning - så att inget av ljuset slösas.

Nästa generations halvledare

Men forskare har hittat andra halvledare som är mycket bättre att absorbera ljus. En grupp material, som kallas "perovskites", kan användas för att göra solceller som är nästan lika effektiva som kisel, men med ljusabsorberande skikt som är en tusenedel tjockleken som behövs med kisel. Som ett resultat arbetar forskare med att bygga perovskite solceller som kan driva små obemannade flygplan och andra enheter där viktminskning är en nyckelfaktor.

Nobelpriset 2000 i kemi tilldelades forskarna som först fann att de kunde göra en annan typ av ultra-tunn halvledare, kallad en halvledande polymer. Denna typ av material kallas en "organisk halvledare" eftersom den är baserad på kol och det kallas en "polymer" eftersom den består av långa kedjor av organiska molekyler. Organiska halvledare används redan kommersiellt, inklusive i miljard dollarindustrin av organiska ljusdioddisplayer, mer kända som OLED-TV.

Polymerhalvledare är inte lika effektiva vid omvandling av solljus till el som perovskiter eller kisel, men de är mycket mer flexibla och potentiellt utomordentligt hållbara. Regelbundna polymerer - inte de halvledande - finns överallt i det dagliga livet. De är molekylerna som utgör tyg, plast och färg. Polymerhalvledare har potential att kombinera de elektroniska egenskaperna hos material som kisel med plastens fysikaliska egenskaper.

Det bästa av båda världarna: Effektivitet och hållbarhet

Beroende på deras struktur har plast ett brett utbud av egenskaper - inklusive både flexibilitet, som med en tarp; och styvhet, som kroppspanelerna hos vissa bilar. Halvledande polymerer har styva molekylära strukturer, och många består av små kristaller. Dessa är nyckeln till deras elektroniska egenskaper men tenderar att göra dem sköra, vilket inte är en önskvärd egenskap för antingen flexibla eller styva föremål.

Min grupps arbete har varit inriktat på att identifiera sätt att skapa material med både bra halvledande egenskaper och hållbarheten plast är känd för - oavsett om det är flexibelt eller inte. Detta kommer att vara nyckeln till min uppfattning om en soltapp eller filt, men det kan också leda till takmaterial, golvplattor utomhus eller till och med ytor på vägar eller parkeringsplatser.

Detta arbete kommer att vara nyckeln till att utnyttja solstrålkällan - för att solljuset som slår på jorden på en enda timme innehåller trots allt mer energi än vad mänskligheten använder på ett år.

Den här artikeln publicerades ursprungligen på The Conversation av Darren Lipomi. Läs den ursprungliga artikeln här.