Các công nghệ năng lượng mặt trời hiện tại vẫn chưa đủ tốt. Antonio Garcia trên Unsplash, FAL

Nhu cầu về điện xanh hơn, rẻ hơn có nghĩa là bối cảnh năng lượng đang thay đổi nhanh hơn bất kỳ thời điểm nào khác trong lịch sử. Điều này đặc biệt đúng với điện năng lượng mặt trời và lưu trữ pin. Chi phí của cả hai đều đã giảm với tốc độ chưa từng có trong thập kỷ qua và các công nghệ tiết kiệm năng lượng như Đèn LED chiếu sáng cũng đã mở rộng.

Việc tiếp cận với nguồn năng lượng mặt trời giá rẻ và phổ biến và lưu trữ sẽ thay đổi cách chúng ta sản xuất và sử dụng điện năng, cho phép điện khí hóa ngành giao thông. Có tiềm năng cho các nền kinh tế dựa trên hóa chất mới mà chúng lưu trữ năng lượng tái tạo làm nhiên liệuvà hỗ trợ các thiết bị mới tạo nên “Internet của sự vật".

Nhưng các công nghệ năng lượng hiện tại của chúng ta sẽ không đưa chúng ta đến tương lai này: chúng ta sẽ sớm đạt được giới hạn về hiệu quả và chi phí. Các tiềm năng giảm trong tương lai Ví dụ, chi phí điện từ năng lượng mặt trời silicon bị hạn chế. Việc sản xuất mỗi bảng điều khiển đòi hỏi một lượng năng lượng hợp lý và các nhà máy tốn kém để xây dựng. Và mặc dù chi phí sản xuất có thể bị ép thêm một chút, nhưng chi phí lắp đặt năng lượng mặt trời hiện đã bị chi phối bởi các tính năng bổ sung - cài đặt, đi dây, thiết bị điện tử, v.v.

Điều này có nghĩa là các hệ thống điện mặt trời hiện tại khó có thể đáp ứng được phần yêu cầu điện năng toàn cầu 30 TeraWatt (TW) của chúng tôi (ngày nay chúng sản xuất ít hơn 1 TW) đủ nhanh để giải quyết các vấn đề như biến đổi khí hậu.

Tương tự như vậy, các công nghệ hiển thị và chiếu sáng LED hiện tại của chúng tôi quá đắt và không có chất lượng màu đủ tốt để thay thế thực tế ánh sáng truyền thống trong một khung thời gian đủ ngắn. Đây là một vấn đề, vì ánh sáng hiện đang chiếm 5% lượng khí thải carbon của thế giới. Cần có những công nghệ mới để lấp đầy khoảng trống này một cách nhanh chóng.

perulfit halide

Phòng thí nghiệm của chúng tôi ở Cambridge, Anh, đang làm việc với một nhóm vật liệu mới đầy hứa hẹn được gọi là perovskites halogen. Chúng là chất bán dẫn, dẫn điện khi được kích thích bằng ánh sáng. Mực perovskite được lắng vào thủy tinh hoặc nhựa để tạo ra các màng cực mỏng - có chiều rộng bằng một phần trăm sợi tóc người - được tạo thành từ kim loại, halogenua và các ion hữu cơ. Khi bị kẹp giữa các điểm tiếp xúc điện cực, các màng này làm cho pin mặt trời hoặc thiết bị LED.

Thật ngạc nhiên, màu sắc của ánh sáng mà chúng hấp thụ hoặc phát ra có thể thay đổi chỉ bằng cách điều chỉnh cấu trúc hóa học của chúng. Bằng cách thay đổi cách trồng chúng, chúng ta có thể điều chỉnh chúng để phù hợp hơn với việc hấp thụ ánh sáng (đối với bảng điều khiển năng lượng mặt trời) hoặc phát ra ánh sáng (đối với đèn LED). Điều này cho phép chúng tôi tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời và đèn LED có màu sắc khác nhau phát ra ánh sáng từ tia cực tím, xuyên qua vùng nhìn thấy và cận hồng ngoại.

Mặc dù chế biến linh hoạt và rẻ tiền, những vật liệu này đã được chứng minh là có hiệu quả đáng kể như cả pin mặt trời và bộ phát ánh sáng. Pin mặt trời Perovskite bị tấn công Hiệu suất 25.2% vào năm 2019, nóng trên gót của các tế bào silicon tinh thể ở mức 26.7% và đèn LED perovskite đã tiếp cận màn trình diễn đi-ốt phát sáng hữu cơ (OLED) độc đáo.

Những công nghệ này là nhanh chóng được thương mại hóa, đặc biệt là ở mặt trước pin mặt trời. Oxford Photovoltaics có trụ sở tại Vương quốc Anh có xây dựng một dây chuyền sản xuất và đang thực hiện các đơn đặt hàng đầu tiên vào đầu 2021. Công ty Ba Lan Saule Technologies đã phát hành các sản phẩm nguyên mẫu vào cuối năm 2018, bao gồm thí điểm mặt tiền perovskite năng lượng mặt trời. Nhà sản xuất Trung Quốc Microquanta Semiconductor dự kiến ​​sản xuất nhiều hơn 200,000 mét vuông của các tấm trong dây chuyền sản xuất của nó trước cuối năm. Swift Solar có trụ sở tại Hoa Kỳ (công ty do tôi đồng sáng lập) đang tiên phong hiệu suất cao tế bào có đặc tính nhẹ, dẻo.

Mực phát sáng perovskite màu có thể được đúc thành màng mỏng. © Sandeep Pathak, tác giả cung cấp

Giữa những công ty này và những công ty khác, đang có tiến bộ nhanh chóng.

Cửa sổ năng lượng mặt trời và các tấm linh hoạt

Không giống như các tế bào silicon thông thường, cần rất đồng đều để đạt hiệu quả cao, màng perovskite bao gồm khảm "hạt" có kích thước rất thay đổi (từ nano mét đến milimét) và hóa học - nhưng chúng hoạt động gần như tốt như các tế bào silicon tốt nhất hiện nay. Hơn nữa, những khuyết điểm nhỏ hoặc khiếm khuyết trong phim perovskite không dẫn đến tổn thất điện năng đáng kể. Những khiếm khuyết như vậy sẽ là thảm họa đối với bảng điều khiển silicon hoặc đèn LED thương mại.

Mặc dù chúng tôi vẫn đang cố gắng hiểu điều này, nhưng những vật liệu này đang buộc cộng đồng phải viết lại sách giáo khoa cho thứ mà chúng tôi coi là chất bán dẫn lý tưởng: chúng có thể có các đặc tính quang học và điện tử rất tốt mặc dù - hoặc có lẽ thậm chí vì - rối loạn.

Theo giả thuyết, chúng tôi có thể sử dụng những vật liệu này để tạo ra các tế bào năng lượng mặt trời có màu “thiết kế riêng” có thể hòa hợp với các tòa nhà hoặc nhà ở hoặc các cửa sổ năng lượng mặt trời trông giống như thủy tinh màu chưa tạo ra quyền lực.

Nhưng cơ hội thực sự là phát triển các tế bào hiệu quả cao ngoài hiệu quả của tế bào silicon. Ví dụ: chúng ta có thể xếp hai màng perovskite có màu khác nhau lại với nhau trong Pin mặt trời "song song". Mỗi lớp sẽ thu hoạch các vùng khác nhau của quang phổ mặt trời, làm tăng hiệu suất tổng thể của tế bào.

Một ví dụ khác là những gì Oxford PV đang đi tiên phong: thêm một lớp perovskite lên trên một tế bào silicon tiêu chuẩn, tăng cường hiệu quả của công nghệ hiện có mà không có chi phí bổ sung đáng kể. Những cách tiếp cận phân lớp song song này có thể nhanh chóng tạo ra tăng hiệu quả của các tấm pin mặt trời vượt quá 30%, điều này sẽ làm giảm cả chi phí của tấm và hệ thống đồng thời giảm dấu chân năng lượng.

Các lớp perovskite này cũng đang được phát triển để sản xuất các tấm pin mặt trời linh hoạt có thể được xử lý để cuộn như giấy in báo, hơn nữa giảm giá. Năng lượng mặt trời nhẹ, công suất cao cũng mở ra khả năng cung cấp năng lượng cho xe điện và vệ tinh liên lạc.

Pin mặt trời nguyên mẫu perovskite linh hoạt. Plamen Petkov cho Scientific American

Đối với đèn LED, perovskites có thể đạt được hiệu quả tuyệt vời chất lượng màu sắc có thể dẫn đến nâng cao công nghệ hiển thị linh hoạt. Perovskites cũng có thể rẻ hơn, chất lượng cao hơn ánh sáng trắng hơn đèn LED thương mại ngày nay, với “nhiệt độ màu” của quả cầu có thể được sản xuất để cung cấp ánh sáng trắng mát hoặc ấm hoặc bất kỳ bóng nào mong muốn ở giữa. Họ cũng đang tạo ra sự phấn khích như là các khối xây dựng cho máy tính lượng tử trong tương lai, Cũng như Máy dò tia X cho hình ảnh y tế và an ninh liều cực thấp.

Mặc dù những sản phẩm đầu tiên đã xuất hiện nhưng vẫn còn nhiều thách thức. Một vấn đề quan trọng là chứng minh ổn định lâu dài. Nhưng nghiên cứu đầy hứa hẹn, và một khi chúng được giải quyết, perovskite halogenua có thể thực sự thúc đẩy quá trình chuyển đổi sản xuất và tiêu thụ năng lượng của chúng ta.

Lưu ý

Sam Stranks, Giảng viên về Năng lượng và Nghiên cứu viên Đại học Hiệp hội Hoàng gia, Đại học Cambridge

Bài viết này được tái bản từ Conversation theo giấy phép Creative Commons. Đọc ban đầu bài viết.

Sách liên quan

Giải ngân: Kế hoạch toàn diện nhất từng được đề xuất để đảo ngược sự nóng lên toàn cầu

của Paul Hawken và Tom Steyer
Trước nỗi sợ hãi và sự thờ ơ lan rộng, một liên minh quốc tế gồm các nhà nghiên cứu, chuyên gia và nhà khoa học đã cùng nhau đưa ra một loạt các giải pháp thực tế và táo bạo cho biến đổi khí hậu. Một trăm kỹ thuật và thực hành được mô tả ở đây, một số người nổi tiếng; một số bạn có thể chưa bao giờ nghe nói Chúng bao gồm từ năng lượng sạch đến giáo dục các cô gái ở các nước thu nhập thấp hơn đến các hoạt động sử dụng đất kéo carbon ra khỏi không khí. Các giải pháp tồn tại, có hiệu quả kinh tế và các cộng đồng trên toàn thế giới hiện đang ban hành chúng với kỹ năng và quyết tâm. Có sẵn trên Amazon

Thiết kế các giải pháp khí hậu: Hướng dẫn chính sách cho năng lượng carbon thấp

của Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Với những tác động của biến đổi khí hậu đã gây ra cho chúng ta, nhu cầu cắt giảm lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính trên toàn cầu là không kém phần cấp bách. Đó là một thách thức khó khăn, nhưng các công nghệ và chiến lược để đáp ứng nó vẫn tồn tại ngày nay. Một bộ nhỏ các chính sách năng lượng, được thiết kế và thực hiện tốt, có thể đưa chúng ta vào con đường hướng tới một tương lai các-bon thấp. Hệ thống năng lượng rất lớn và phức tạp, vì vậy chính sách năng lượng phải được chú trọng và tiết kiệm chi phí. Phương pháp tiếp cận một kích thước phù hợp với tất cả đơn giản là sẽ không hoàn thành công việc. Các nhà hoạch định chính sách cần một nguồn lực rõ ràng, toàn diện để vạch ra các chính sách năng lượng sẽ có tác động lớn nhất đến tương lai khí hậu của chúng ta và mô tả cách thiết kế tốt các chính sách này. Có sẵn trên Amazon

Đây Changes Everything: Chủ nghĩa tư bản vs khí hậu

bởi Naomi Klein
In Đây Changes Everything Naomi Klein lập luận rằng biến đổi khí hậu không chỉ là vấn đề khác được nộp gọn gàng giữa thuế và chăm sóc sức khỏe. Đó là một báo động kêu gọi chúng tôi sửa chữa một hệ thống kinh tế đã làm chúng tôi thất bại theo nhiều cách. Klein xây dựng một cách tỉ mỉ trường hợp làm thế nào để giảm lượng khí thải nhà kính một cách ồ ạt là cơ hội tốt nhất của chúng tôi để đồng thời giảm bất bình đẳng, tưởng tượng lại các nền dân chủ bị phá vỡ của chúng tôi và xây dựng lại nền kinh tế địa phương bị cắt đứt. Cô vạch trần sự tuyệt vọng về ý thức hệ của những người từ chối biến đổi khí hậu, những ảo tưởng lộn xộn của những người theo chủ nghĩa địa lý và sự thất bại bi thảm của quá nhiều sáng kiến ​​xanh chính thống. Và cô ấy chứng minh chính xác lý do tại sao thị trường không khắc phục được và không thể khắc phục khủng hoảng khí hậu mà thay vào đó sẽ làm mọi thứ tồi tệ hơn, với các phương pháp khai thác cực kỳ nghiêm trọng và gây tổn hại về mặt sinh thái, kèm theo chủ nghĩa tư bản thảm họa tràn lan. Có sẵn trên Amazon

Từ Nhà xuất bản:
Mua hàng trên Amazon để giảm chi phí mang lại cho bạn InsideSelf.comelf.com, MightyNatural.com, và ClimateImpactNews.com miễn phí và không có nhà quảng cáo theo dõi thói quen duyệt web của bạn. Ngay cả khi bạn nhấp vào một liên kết nhưng không mua các sản phẩm được chọn này, bất kỳ thứ gì khác bạn mua trong cùng một lượt truy cập trên Amazon đều trả cho chúng tôi một khoản hoa hồng nhỏ. Không có chi phí bổ sung cho bạn, vì vậy hãy đóng góp cho nỗ lực. Bạn cũng có thể sử dụng liên kết này sử dụng cho Amazon bất cứ lúc nào để bạn có thể giúp hỗ trợ những nỗ lực của chúng tôi.