Một mảnh nhỏ của tấm bạt năng lượng mặt trời nguyên mẫu. Đại học California, San Diego, CC BY-NĐ

Tiềm năng tạo năng lượng của các tấm pin mặt trời - và giới hạn chính trong việc sử dụng chúng - là kết quả của những gì chúng được tạo ra. Các tấm làm bằng silicon đang giảm giá sao cho ở một số nơi họ có thể cung cấp điện chi phí tương đương với năng lượng từ nhiên liệu hóa thạch như than đá và khí đốt tự nhiên. Nhưng các tấm pin mặt trời silicon cũng cồng kềnh, cứng nhắc và dễ gãy, vì vậy chúng không thể được sử dụng ở bất cứ đâu.

Ở nhiều nơi trên thế giới không có điện thường xuyên, các tấm pin mặt trời có thể cung cấp đọc sách sau khi trời tối và năng lượng để bơm nước uống, Cứu giúp kinh doanh điện hộ gia đình nhỏ hoặc làng hoặc thậm chí phục vụ nơi trú ẩn khẩn cấp và nơi trú ẩn của người tị nạn. Nhưng sự mong manh cơ học, độ nặng và khó vận chuyển của các tấm pin mặt trời silicon cho thấy rằng silicon có thể không lý tưởng.

Xây dựng trên công việc của người khác, nhóm nghiên cứu của tôi đang làm việc để phát triển các tấm pin mặt trời linh hoạt, sẽ hiệu quả như một bảng điều khiển silicon, nhưng sẽ mỏng, nhẹ và có thể uốn cong. Đây là loại thiết bị mà chúng tôi gọi lànăng lượng mặt trời, Lọ có thể được trải ra theo kích thước của một căn phòng và tạo ra điện từ mặt trời, và nó có thể được làm tròn thành kích thước của quả bưởi và nhét trong ba lô nhiều lần như 1,000 mà không bị vỡ. Mặc dù đã có một số nỗ lực để làm cho pin mặt trời hữu cơ linh hoạt hơn chỉ bằng cách làm cho chúng siêu mỏng, độ bền thực sự đòi hỏi một cấu trúc phân tử làm cho các tấm pin mặt trời có thể kéo dài và dẻo dai.

Chất bán dẫn silicon

Silicon có nguồn gốc từ cát, làm cho nó rẻ. Và cách các nguyên tử của nó đóng gói trong một vật liệu rắn làm cho nó trở thành một chất bán dẫn tốt, có nghĩa là độ dẫn của nó có thể được bật và tắt bằng cách sử dụng điện trường hoặc ánh sáng. Bởi vì nó rẻ và hữu ích, silicon là cơ sở cho các vi mạch và bảng mạch trong máy tính, điện thoại di động và về cơ bản là tất cả các thiết bị điện tử khác, truyền tín hiệu điện từ thành phần này sang thành phần khác. Silicon cũng là chìa khóa cho hầu hết các tấm pin mặt trời, bởi vì nó có thể chuyển đổi năng lượng từ ánh sáng thành điện tích dương và điện tích âm. Các điện tích này chảy sang các mặt đối diện của pin mặt trời và có thể được sử dụng như pin.

Nhưng tính chất hóa học của nó cũng có nghĩa là nó không thể biến thành thiết bị điện tử linh hoạt. Silicon không hấp thụ ánh sáng rất hiệu quả. Các photon có thể đi xuyên qua một tấm silicon quá mỏng, do đó chúng phải khá dày - khoảng micromet 100, về độ dày của hóa đơn đô la - để không có ánh sáng nào bị lãng phí.

Chất bán dẫn thế hệ tiếp theo

Nhưng các nhà nghiên cứu đã tìm thấy các chất bán dẫn khác tốt hơn nhiều trong việc hấp thụ ánh sáng. Một nhóm vật liệu, được gọi làperovskites, Có thể được sử dụng để chế tạo pin mặt trời gần như hiệu quả như silicon, nhưng với các lớp hấp thụ ánh sáng có độ dày bằng một phần nghìn với silicon. Do đó, các nhà nghiên cứu đang nghiên cứu xây dựng pin mặt trời perovskite có thể cung cấp năng lượng cho máy bay không người lái nhỏ và các thiết bị khác trong đó giảm trọng lượng là một yếu tố quan trọng.

Sản phẩm Giải thưởng Nobel Hóa học 2000 đã được trao cho các nhà nghiên cứu lần đầu tiên tìm thấy họ có thể tạo ra một loại chất bán dẫn siêu mỏng khác, được gọi là polymer bán dẫn. Loại vật liệu này được gọi là chất bán dẫn hữu cơ có tên khoa học vì nó dựa trên carbon và nó được gọi là vật liệu polymer polymer vì nó bao gồm các chuỗi phân tử hữu cơ dài. Chất bán dẫn hữu cơ đã được sử dụng thương mại, bao gồm cả trong ngành công nghiệp tỷ đô of hiển thị diode phát sáng hữu cơ, được biết đến như là TV OLED.

Các chất bán dẫn polymer không hiệu quả trong việc chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành điện như perovskites hoặc silicon, nhưng chúng còn hơn thế nữa linh hoạt và có khả năng rất bền. Polyme thông thường - không phải là chất bán dẫn - được tìm thấy ở mọi nơi trong cuộc sống hàng ngày; chúng là các phân tử tạo nên vải, nhựa và sơn. Chất bán dẫn polymer giữ tiềm năng kết hợp các tính chất điện tử của vật liệu như silicon với các tính chất vật lý của nhựa.

Điều tốt nhất của cả hai thế giới: Hiệu quả và độ bền

Tùy thuộc vào cấu trúc của chúng, nhựa có một loạt các tính chất - bao gồm cả tính linh hoạt, như với một tấm bạt; và độ cứng, giống như các tấm thân của một số ô tô. Polyme bán dẫn có cấu trúc phân tử cứng nhắc, và nhiều cấu tạo gồm các tinh thể nhỏ. Đây là chìa khóa cho các thuộc tính điện tử của chúng nhưng có xu hướng làm cho chúng giòn, đây không phải là một thuộc tính mong muốn cho các mặt hàng linh hoạt hoặc cứng nhắc.

Công việc của nhóm tôi đã tập trung vào việc xác định các cách để tạo vật liệu có cả tính chất bán dẫn tốt và độ bền nhựa được biết đến - dù linh hoạt hay không. Đây sẽ là chìa khóa cho ý tưởng của tôi về một tấm bạt hoặc chăn năng lượng mặt trời, nhưng cũng có thể dẫn đến vật liệu lợp, gạch lát sàn ngoài trời hoặc thậm chí có thể là bề mặt của đường hoặc bãi đỗ xe.

Công việc này sẽ là chìa khóa để khai thác sức mạnh của ánh sáng mặt trời - bởi vì, sau tất cả, ánh sáng mặt trời chiếu xuống Trái đất trong một giờ chứa nhiều năng lượng hơn tất cả nhân loại sử dụng trong một năm.

Giới thiệu về Tác giả

Darren Lipomi, Giáo sư Nanoengineering, Đại học California San Diego

Bài viết này ban đầu được xuất bản vào Conversation. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan

at Thị trường InnerSelf và Amazon