Walmart'ın çatısındaki güneş panelleri, Mountain View, Kaliforniya.
Walmart / Flickr, CC BY
Gelişmekte olan ülkeler sanayileşmeye doğru ilerledikçe küresel enerji talebi her geçen saat artıyor. Uzmanlar, 2050 yılına kadar dünya çapındaki elektrik talebinin XNUMX yılına kadar artacağını tahmin ediyor. 30 terawatt (TW). Perspektif açısından bakıldığında, bir terawatt kabaca 1.3 milyar atın gücüne eşittir.
Güneşten gelen enerji sınırsızdır; güneş bize herhangi bir anda 120,000 TW güç sağlar ve ücretsizdir. Ancak bugün güneş enerjisi sadece yaklaşık yüzde bir dünyanın elektriğinin Kritik zorluk, foto-enerjiyi kullanılabilir elektrik enerjisine dönüştürmeyi daha ucuz hale getirmektir.
Bunu yapabilmek için güneş ışığını emen ve onu verimli bir şekilde elektriğe dönüştüren malzemeler bulmamız gerekiyor. Ayrıca bu malzemelerin bol miktarda olmasını, çevreye zarar vermemesini ve güneş enerjisi cihazlarına dönüştürülmesinin uygun maliyetli olmasını istiyoruz.
Dünyanın dört bir yanından araştırmacılar, verimli ve uygun fiyatlı güneş pili teknolojileri geliştirmek için çalışıyor. Amaç, güneş enerjisi kurulum maliyetini watt başına 1 ABD dolarının altına indirmektir. bugün watt başına yaklaşık 3 dolar.
Binghamton Üniversitesi'nde Otonom Güneş Enerjisi Merkezi (CASP)Doğada bol miktarda bulunan ve toksik olmayan malzemeleri kullanarak ince film güneş pilleri yapmanın yollarını araştırıyoruz. Güvenilir, güneş ışığını elektriğe dönüştürme konusunda yüksek verimli ve üretimi ucuz olan güneş pilleri geliştirmek istiyoruz. Güneş soğurucuları olarak büyük potansiyele sahip iki malzeme belirledik: metalik parlaklığı nedeniyle daha çok aptal altını olarak bilinen pirit; ve bakır-çinko-kalay-sülfür (CZTS).
İdeal malzemeyi aramak
Günümüzün ticari güneş pilleri üç malzemeden birinden yapılmaktadır: silikon, kadmiyum tellür (CdTe) ve bakır-indiyum-galyum-selenit (CIGS). Her birinin güçlü ve zayıf yönleri vardır.
Silikon güneş pilleri, üzerlerine düşen güneş ışığının yüzde 25'e kadarını elektriğe dönüştüren yüksek verimli ve çok dayanıklı bir yapıya sahip. Ancak silikonun levhalara işlenmesi çok pahalıdır. Ve bu tabakaların üzerlerine düşen tüm güneş ışığını emebilmeleri için çok kalın olmaları gerekiyor (güneş pilleri için yaklaşık 0.3 milimetre kalınlık). Bu da maliyetleri daha da artırıyor.
Çoğunlukla birinci nesil güneş pilleri olarak adlandırılan silikon güneş pilleri, çatılarda tanıdık görüntüler haline gelen panellerde kullanılıyor. Merkezimizde yeni nesil güneş enerjisi teknolojisi olan ince film güneş pilleri adı verilen başka bir tür üzerinde çalışılıyor. Adından da anlaşılacağı gibi, ince film güneş pilleri, cam veya plastik gibi tipik olarak esnek olabilen bir alt tabakanın üzerine ince bir güneş emici malzeme tabakasının yerleştirilmesiyle yapılır.
Bu güneş pilleri daha az malzeme kullanır, dolayısıyla silikondan yapılmış kristal güneş pillerinden daha ucuzdurlar. Esnek bir altlık üzerine kristalin silikonu kaplamak mümkün değildir, bu nedenle güneş soğurucusu olarak kullanmak için farklı bir malzemeye ihtiyacımız var.
İnce film güneş enerjisi teknolojisi hızla gelişmesine rağmen, günümüzün ince film güneş pillerindeki bazı malzemeler az bulunur veya tehlikelidir. Örneğin CdTe'nin içindeki kadmiyum tüm canlılar için oldukça toksiktir ve insanlarda kansere neden olduğu bilinmektedir. CdTe, yüksek sıcaklıklarda (örneğin laboratuvarda veya ev yangınında) kadmiyum ve tellüre ayrılarak ciddi bir soluma riski oluşturabilir.
Pirit ve CZTS ile çalışıyoruz çünkü bunlar toksik değil ve çok ucuz. CZTS'nin watt başına maliyeti yaklaşık 0.005 senttir ve pirit maliyeti watt başına yalnızca 0.000002 sent. Aynı zamanda yerkabuğunda en çok bulunan materyaller arasındadırlar ve güneş ışığının görünür spektrumunu verimli bir şekilde emerler. Bu filmler milimetrenin 1/1000'i kadar ince olabiliyor.
Simüle edilmiş güneş ışığı altında CZTS güneş pillerinin test edilmesi.
Tara Dhakal/Binghamton Üniversitesi, Yazar sağlanmıştırBu malzemeleri güneş pillerine dönüştürmeden önce kristalleştirmemiz gerekiyor. Bu onları ısıtarak yapılır. CZTS, silikon için 600 santigrat derece veya daha yüksek sıcaklıklara kıyasla 1,200 santigrat derecenin altındaki sıcaklıklarda kristalleşir, bu da işlenmesini daha ucuz hale getirir. Şu anda ticari olarak temin edilebilen yüksek verimli bakır indiyum galyum selenit (CIGS) güneş pillerine çok benzer bir performans sergiliyor, ancak bu hücrelerdeki indiyum ve galyumun yerini daha ucuz ve daha bol çinko ve kalay alıyor.
Ancak şu ana kadar CZTS güneş pilleri nispeten verimsiz; Yüzde 13 artış. Daha pahalı CIGS güneş pilleri için bu oran yüzde 20 iken, üzerlerine düşen güneş ışığının elektriğe olan oranı yüzde XNUMX'dir.
CZTS güneş pillerinin yüzde 30 verimli olma potansiyeline sahip olduğunu biliyoruz. Ana zorluklar, 1) herhangi bir yabancı madde izi olmadan yüksek kaliteli CZTS ince filminin sentezlenmesi ve 2) güneş ışığının emici katmanda oluşturduğu elektrik yüklerinin toplanmasına yardımcı olan, altındaki "tampon" katman için uygun bir malzeme bulmaktır. Laboratuvarımız bir CZTS ince film üretti. yüzde yedi verimlilik; Yüksek kaliteli CZTS katmanlarını sentezleyerek ve uygun tampon katmanları bularak yakın zamanda yüzde 15 verimliliğe yaklaşmayı umuyoruz.
Bir CZTS güneş pilinin yapısı.
Tara Dhakal/Binghamton Üniv., Yazar sağlanmıştırPirit, çok düşük sıcaklıklarda sentezlenebilen başka bir potansiyel soğurucudur. Laboratuvarımız pirit ince filmlerini sentezledi ve şimdi bu filmleri güneş pillerine katmanlamak için çalışıyoruz. Bu süreç zorludur çünkü pirit ısıya ve neme maruz kaldığında kolayca parçalanır. Güneş emiciliğini ve mekanik özelliklerini etkilemeden onu daha kararlı hale getirmenin yollarını araştırıyoruz. Bu sorunu çözebilirsek “aptalın altını” akıllı bir fotovoltaik cihaza dönüşebilir.
Yakın zamanda yapılan bir araştırmada, Stanford Üniversitesi ve Berkeley'deki Kaliforniya Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, güneş enerjisinin enerji sağlayabileceğini tahmin etti. 45 oranında Bu hedefe ulaşmak için güneş enerjisinin maliyetini düşürmeye devam etmeli ve güneş pillerini daha sürdürülebilir hale getirmenin yollarını bulmalıyız. Güneş enerjisinin potansiyelini hayata geçirmenin anahtarının bol, toksik olmayan malzemeler olduğuna inanıyoruz.
Yazar hakkında
Tara P. Dhakal, Elektrik ve Bilgisayar Mühendisliği Bölümünde Yardımcı Doçent, Binghamton Üniversitesi, New York Eyalet Üniversitesi. Araştırma ilgi alanı yenilenebilir enerji, özellikle de güneş enerjisidir. Araştırma hedefi çevreye zarar vermeyen ve ekonomik açıdan uygun fiyatlı güneş pili teknolojisine ulaşmaktır.
Bu yazı orijinalinde Konuşma. Okumak Orijinal makale.
İlgili Kitaplar
at InnerSelf Pazarı ve Amazon
