Panouri solare pe acoperișul unui magazin Walmart, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY
Cererea globală de energie crește de la o oră la alta, pe măsură ce țările în curs de dezvoltare se îndreaptă spre industrializare. Experții estimează că până în anul 2050, cererea mondială de energie electrică ar putea ajunge 30 de terawați (TW). Pentru o perspectivă, un terawatt este aproximativ egal cu puterea a 1.3 miliarde de cai putere.
Energia solară este nelimitată – soarele ne oferă 120,000 TW de energie în orice moment – și este gratuită. Dar astăzi, energia solară oferă doar aproximativ unu la sută din energia electrică mondială. Provocarea critică este de a reduce costurile de conversie a energiei fotoelectrice în energie electrică utilizabilă.
Pentru a realiza acest lucru, trebuie să găsim materiale care absorb lumina soarelui și o transformă eficient în electricitate. În plus, dorim ca aceste materiale să fie abundente, ecologice și rentabile pentru a fi fabricate în dispozitive solare.
Cercetătorii din întreaga lume lucrează la dezvoltarea de tehnologii pentru celule solare eficiente și accesibile ca preț. Scopul este de a reduce costul de instalare a energiei solare sub 1 dolar american pe watt, comparativ cu aproximativ 3 dolari pe watt astăzi.
La Universitatea Binghamton Centrul pentru Energie Solară Autonomă (CASP), investigăm modalități de a realiza celule solare cu peliculă subțire folosind materiale naturale abundente și netoxice. Dorim să dezvoltăm celule solare fiabile, extrem de eficiente în convertirea luminii solare în electricitate și ieftine de fabricat. Am identificat două materiale care au un mare potențial ca absorbante solare: pirita, mai cunoscută sub numele de aurul nebunilor datorită luciului său metalic; și sulfura de cupru-zinc-staniu (CZTS).
În căutarea materialului ideal
Celulele solare comerciale de astăzi sunt fabricate dintr-unul din trei materiale: siliciu, telurură de cadmiu (CdTe) și selenură de cupru-indiu-galiu (CIGS). Fiecare are puncte forte și puncte slabe.
Celulele solare din siliciu sunt extrem de eficiente, transformând până la 25% din lumina soarelui care cade pe ele în electricitate și sunt foarte durabile. Cu toate acestea, procesarea siliciului în napolitane este foarte scumpă. Și aceste napolitane trebuie să fie foarte groase (aproximativ 0.3 milimetri, grosimea necesară celulelor solare) pentru a absorbi toată lumina soarelui care cade pe ele, ceea ce crește și mai mult costurile.
Celulele solare cu siliciu – adesea denumite celule solare de primă generație – sunt utilizate în panourile care au devenit cunoscute pe acoperișuri. Centrul nostru studiază un alt tip, numit celule solare cu peliculă subțire, care reprezintă următoarea generație de tehnologie solară. După cum sugerează și numele lor, celulele solare cu peliculă subțire sunt realizate prin plasarea unui strat subțire de material absorbant solar peste un substrat, cum ar fi sticla sau plasticul, care de obicei poate fi flexibil.
Aceste celule solare utilizează mai puțin material, deci sunt mai puțin costisitoare decât celulele solare cristaline fabricate din siliciu. Nu este posibil să se acopere siliciu cristalin pe un substrat flexibil, așa că avem nevoie de un material diferit pentru a-l utiliza ca absorbant solar.
Deși tehnologia solară cu peliculă subțire se îmbunătățește rapid, unele dintre materialele din celulele solare cu peliculă subțire de astăzi sunt rare sau periculoase. De exemplu, cadmiul din CdTe este foarte toxic pentru toate ființele vii și se știe că provoacă cancer la oameni. CdTe se poate separa în cadmiu și telur la temperaturi ridicate (de exemplu, într-un laborator sau într-un incendiu la o casă), prezentând un risc grav de inhalare.
Lucrăm cu pirită și CZTS deoarece sunt netoxice și foarte ieftine. CZTS costă aproximativ 0.005 cenți pe watt, iar pirita costă doar 0.000002 cenți pe wattDe asemenea, acestea se numără printre cele mai abundente materiale din scoarța terestră și absorb eficient spectrul vizibil al luminii solare. Aceste pelicule pot avea o subțire de până la 1/1000 de milimetru.
Testarea celulelor solare CZTS sub lumină solară simulată.
Tara Dhakal/Binghamton University, Autor furnizatTrebuie să cristalizăm aceste materiale înainte de a le putea fabrica în celule solare. Acest lucru se realizează prin încălzirea lor. CZTS cristalizează la temperaturi sub 600 de grade Celsius, comparativ cu 1,200 de grade Celsius sau mai mult pentru siliciu, ceea ce îl face mai puțin costisitor de procesat. Se comportă la fel ca celulele solare de înaltă eficiență din cupru, indiu, galiu și selenură (CIGS), disponibile comercial acum, dar înlocuiește indiul și galiul din aceste celule cu zinc și staniu mai ieftine și mai abundente.
Până în prezent, însă, celulele solare CZTS sunt relativ ineficiente: ele convertesc mai puțin de 13 la sută din lumina soarelui care cade asupra lor în electricitate, comparativ cu 20% în cazul celulelor solare CIGS mai scumpe.
Știm că celulele solare CZTS au potențialul de a avea o eficiență de 30%. Principalele provocări sunt 1) sintetizarea unei pelicule subțiri CZTS de înaltă calitate, fără urme de impurități și 2) găsirea unui material adecvat pentru stratul „tampon” de dedesubt, care ajută la colectarea sarcinilor electrice pe care lumina soarelui le creează în stratul absorbant. Laboratorul nostru a produs o peliculă subțire CZTS cu eficiență de șapte procenteSperăm să atingem în curând o eficiență de 15% prin sintetizarea unor straturi CZTS de înaltă calitate și găsirea unor straturi tampon adecvate.
Structura unei celule solare CZTS.
Tara Dhakal/Binghamton Univ., Autor furnizatPirita este un alt potențial absorbant care poate fi sintetizat la temperaturi foarte scăzute. Laboratorul nostru a sintetizat pelicule subțiri de pirită, iar acum lucrăm la stratificarea acestor pelicule în celule solare. Acest proces este dificil, deoarece pirita se descompune ușor atunci când este expusă la căldură și umiditate. Cercetăm modalități de a o face mai stabilă fără a-i afecta absorbția solară și proprietățile mecanice. Dacă putem rezolva această problemă, „aurul nebunilor” s-ar putea transforma într-un dispozitiv fotovoltaic inteligent.
Într-un studiu recent, cercetătorii de la Universitatea Stanford și de la Universitatea din California, Berkeley, au estimat că energia solară ar putea oferi până la 45 la sută de electricitate din SUA până în 2050. Pentru a atinge acest obiectiv, trebuie să continuăm să reducem costul energiei solare și să găsim modalități de a produce celule solare într-un mod mai sustenabil. Credem că materialele abundente și netoxice sunt esențiale pentru realizarea potențialului energiei solare.
Despre autor
Tara P. Dhakal, profesor asistent de inginerie electrică și informatică, Universitatea Binghamton, Universitatea de Stat din New York. Interesul său de cercetare este energia regenerabilă, în special energia solară. Obiectivul său de cercetare este de a realiza o tehnologie a celulelor solare care să fie ecologică și accesibilă din punct de vedere economic.
Acest articol a fost publicat inițial Conversaţie. Citeste Articol original.
Cărți conexe
{amazonWS:indexdecărți=Cărți;cuvintecheie=energie solară;rezultatemax=3}
