Geskryf deur Sam Stranks
Huidige sonkragtegnologieë is nie goed genoeg nie. Antonio Garcia op Unsplash, EAT
Die vraag na goedkoper, groener elektrisiteit beteken dat die energie-landskap vinniger verander as op enige ander tydstip in die geskiedenis. Dit geld veral sonkrag-aangedrewe elektrisiteit en battery stoor. Die koste van albei het die afgelope dekade teen ongekende koerse gedaal en energie-doeltreffende tegnologieë soos LED-beligting het ook uitgebrei.
Toegang tot goedkoop en alomteenwoordige sonkrag en berging sal die manier waarop ons krag produseer en gebruik, verander en elektrifisering van die transportsektor moontlik maak. Daar is potensiaal vir nuwe chemiese-gebaseerde ekonomieë waarin ons herwin hernubare energie as brandstof, en ondersteun nuwe toestelle wat 'n "internet van die dinge wat".
Maar ons huidige energietegnologieë sal ons nie na hierdie toekoms lei nie: ons sal binnekort doeltreffendheids- en kostelimiete bereik. Die potensiaal vir toekomstige vermindering in die koste van byvoorbeeld elektrisiteit van silikon-sonkrag is dit beperk. Die vervaardiging van elke paneel vereis 'n redelike hoeveelheid energie en fabrieke duur om te bou. En hoewel die produksiekoste 'n bietjie verder ingedruk kan word, is die koste van 'n sonkraginstallasie nou oorheers deur die ekstras - installasie, bedrading, die elektronika, ensovoorts.
Dit beteken dat die huidige sonkragstelsels waarskynlik nie aan die vereiste fraksie van ons 30 TeraWatt (TW) wêreldwye kragvereistes sal voldoen nie (dit lewer vandag minder as 1 TW) vinnig genoeg om kwessies soos klimaatsverandering aan te spreek.
Net so is ons huidige LED-beligting- en vertoningstegnologieë te duur en nie van genoeg kleurgehalte om tradisionele beligting binne 'n kort genoeg tydsbestek realisties te vervang nie. Dit is 'n probleem, aangesien beligting tans verantwoordelik is 5% van die wêreld se koolstofvrystellings. Nuwe tegnologieë is nodig om hierdie leemte vinnig te vul.
Ons laboratorium in Cambridge, Engeland, werk met 'n belowende nuwe familie materiaal bekend as halide perovskiete. Hulle is halfgeleiers wat gelei wanneer dit met lig gestimuleer word. Perovskiet-ink word op glas of plastiek neergesit om uiters dun films te maak - ongeveer honderdste van die breedte van 'n menslike hare - wat bestaan ​​uit metaal-, halide- en organiese ione. Hierdie films word tussen elektrodekontakte ingebou sonkrag- of LED-toestelle.
Verbasend genoeg kan die kleur van die lig wat hulle absorbeer of uitstraal, verander word deur die chemiese struktuur aan te pas. Deur die manier waarop ons dit groei, te verander, kan ons dit aanpas om meer geskik te wees vir die opname van lig (vir 'n sonpaneel) of vir die uitstraal van lig (vir 'n LED). Dit stel ons in staat om sonselle en LED's van verskillende kleure te skep wat lig uitstraal vanaf die ultraviolet, tot by die sigbare en naby-infrarooi.
Ten spyte van hul goedkoop en veelsydige verwerking, is dit bewys dat hierdie materiale opvallend doeltreffend is, aangesien sonselle en ligstrale. Perovskite sonselle getref 25.2% doeltreffendheid in 2019, warm op die hakke van kristallyne silisiumselle teen 26.7%, en perovskiet-LED's is reeds nader off-the-shelf organiese liguitstralende diode (OLED) optredes.
Hierdie tegnologieë is word vinnig gekommersialiseer, veral aan die sonkragfront. UK-gebaseerde Oxford Fotovoltaics het 'n produksielyn gebou en vul sy eerste bestellings in in die vroeë 2021. Die Poolse maatskappy Saule Technologies het aan die einde van 2018 prototipe-produkte vrygestel, waaronder 'n perovskite-sonfasade-vlieënier. Die Chinese vervaardiger Microquanta Semiconductor verwag om meer as 200,000 vierkante meter panele in sy produksielyn voor die jaareinde. Die Amerikaanse Swift Solar ('n maatskappy wat ek saam gestig het) is baanbrekerswerk hoë werkverrigting selle met liggewig, buigsame eienskappe.
Gekleurde perovskiet-liguitstralende ink wat in dun films neergewerp kan word. © Sandeep Pathak, skrywer met dien verstande
Tussen hierdie en ander maatskappye, word daar vinnig gevorder.
Sonvensters en buigsame panele
In teenstelling met konvensionele silikonselle, wat baie uniform moet wees vir hoë doeltreffendheid, bestaan ​​perovskietfilms uit mosaïek "korrels" van baie veranderlike grootte (van nano-meter tot millimeter) en chemie - en tog presteer hulle byna net so goed as die beste silikon-selle vandag. Wat meer is, klein letsels of defekte in perovskiet-films lei nie tot aansienlike kragverliese nie. Sulke gebreke sou katastrofies wees vir 'n silikonpaneel of 'n kommersiële LED.
Alhoewel ons dit nog steeds probeer verstaan, dwing hierdie materiaal die gemeenskap om die handboek te herskryf vir wat ons as 'n ideale halfgeleier beskou: hulle kan baie goeie optiese en elektroniese eienskappe hê ten spyte van - of miskien selfs as gevolg van - wanorde.
Ons kan hierdie materiale hipoteties gebruik om "ontwerpers" -kleurige sonselle te maak wat in geboue of huise inskakel, of sonvensters wat lyk soos getinte glas, maar tog opwek krag.
Maar die werklike geleentheid is om hoogs doeltreffende selle te ontwikkel wat nie die silisiumselle kan gebruik nie. Ons kan byvoorbeeld twee verskillende kleure perovskietfilms in 'n laag saamvoeg "Tandem" sonkrag. Elke laag sal verskillende streke van die sonspektrum oes, wat die algehele doeltreffendheid van die sel verhoog.
Nog 'n voorbeeld is wat Oxford PV baanbrekerswerk het: die toevoeging van 'n perovskietlaag bo-op 'n standaard silikonsel, wat die doeltreffendheid van die bestaande tegnologie verhoog sonder aansienlike ekstra koste. Hierdie benaderings tot tandemlaag kan vinnig 'n verhoog die doeltreffendheid van sonpanele wat meer as 30% is, wat die paneel- en stelselkoste sal verlaag, terwyl dit ook verminder energie voetspoor.
Hierdie lae perovskiet word ook ontwikkel om buigsame sonpanele te vervaardig wat verder verwerk kan word om soos koerantpapier te rol vermindering van koste. Ligte, hoë kragkrag-sonkrag bied ook moontlikhede om elektriese voertuie en kommunikasiesatelliete aan te dryf.
Buigsame perovskiet prototipe soncel. Plamen Petkov vir Scientific American
Vir LED's kan perovskiete fantasties presteer kleurgehalte wat tot gevorderde kan lei buigsame vertoningstegnologieë. Perovskites kan ook goedkoper, hoër gehalte gee wit beligting as die kommersiële LED's van vandag, met die "kleurtemperatuur" van 'n aardbol wat vervaardig kan word om koel of warm wit lig of enige gewenste skaduwee tussenin te gee. Hulle wek ook opwinding as boustene vir toekomstige kwantumrekenaars, sowel as X-straalverklikkers vir uiters lae dosis mediese en sekuriteitsbeelding.
Alhoewel die eerste produkte reeds opduik, is daar steeds uitdagings. Een belangrike kwessie is om te demonstreer langtermyn-stabiliteit. Maar die navorsing is belowend, en sodra dit opgelos is, kan haliedperovskiete die transformasie van ons energieproduksie en -verbruik werklik aandryf.
Sam Stranks, dosent in navorsingsgenoot vir energie en universiteit van die Royal Society, Universiteit van Cambridge
Jy is hier: Tuis > Sosiale en politieke > omgewing > klimaat > Oplossings > Roep die klimaatkrisis vir minder kinders?