Elementtien mukaan pii on vain hapen toisella puolella, kun se tulee maan runsaudesta. Tälle ja sen ominaisuuksille puolijohteena se on jo pitkään ollut elektroniikan selkäranka. Materiaalia on kaikessa, siruista radioihin. Se on loppujen lopuksi modernin tekniikan alan keskittymä Kaliforniassa, Piilaaksossa.
Aurinkoisesta teknologiapääomasta puhuttaen piitä käytetään pääelementtinä aurinkopaneeleissa. Kolme New Jerseyn Bell Telephone Company -yrityksen tutkijaa patentoivat 1950-luvulla aivan ensimmäisen piis aurinkokennon - ensimmäisen aurinkokennon, jota pidettiin käytännöllisenä, sillä sen kyky muuttaa 6 prosenttia tulevasta valosta käyttökelpoiseksi sähköksi. Materiaali on siitä lähtien hallinnut aurinkoalan markkinoita. Nykyään yli 90 prosenttia maailmanlaajuisesti valmistetuista paneeleista on kiteisiä piitä sisältäviä PV-paneeleja.
Pii on ansainnut niin suuren aseman ja markkinavaikutuksen, että aurinkoavaruudessa on vain vähän kilpailua, että harvat tietävät, että aurinkoenergian käyttöön on muita vaihtoehtoja.
Perovskites eli kiteiset rakenteet ovat uudentyyppisiä aurinkokennoja, jotka on valmistettu yleisistä elementeistä, kuten metyyliammonium-lyijijodidista. Perovskiteja on helpompi valmistaa, ja ne pystyvät muuttamaan auringonvalon sähköksi nopeammin kuin piisolut. Haasteena on, että perovskites ovat erittäin herkkiä.
Stanfordin yliopiston tutkijat kuitenkin ottavat vihjeen luonnosta. Jotta perovskiteistä tulisi kestävämpiä, he ovat katsoneet kärpässilmän joustavaa rakennetta.
Kärpäsen yhdistelmäsilmä koostuu sadoista kuusikulmaisista segmentoiduista silmistä, joista kukin on suojattu orgaanisella proteiinilla ”telineellä” suojausta varten. Silmät on järjestetty kennomaiseen muotoon, ja kun yksi epäonnistuu, muut toimivat edelleen. Koko elin näyttää redundanssin ja kestävyyden, jonka tutkijat toivovat saavansa uudelleen aurinkopaneeleihin.
Tutkijat asettivat perovskiteillä täytetyt rakennustelineet murtumakokeilla. (Dauskardt Lab / Stanfordin yliopisto) Reinhold Dauskardt ja hänen materiaalitieteellinen ryhmä ovat luoneet hunajakennomaisen telineen, vain 500 mikronia leveä, tavanomaisesta valoresististä tai valoherkästä materiaalista. Lainataksesi uutta esimerkkiä luonnosta, aivan kuten mehiläinen luo hunajakennon ja täyttää sen sitten hunajalla, tutkijat rakentavat tämän suojarakenteen ja tekevät perovskiitin sen sisällä. Ne kehrättävät ratkaisun elementtejä rakennustelineissä, lisäävät lämpöä ja seuraavat sitä kiteytyvän perovskiittirakenteen ja sen aurinkosähkön ominaisuuksien saavuttamiseksi. Sitten tutkijat päällystävät aurinkokennon hopeaelektrodilla sen tiivistämiseksi ja sen kykyä vangita energiaa.
Alustavassa laboratoriokokeessa Dauskardtin aurinkokennot, joiden leveys on noin kuusi hiukset, säilyttivät rakenteensa ja toimivuutensa. Altistuneina korkeille lämpötiloille ja kosteudelle (185 astetta Fahrenheit ja 85 prosenttia suhteellisessa kosteudessa) kuuden viikon ajan, solut jatkoivat sähkön tuotantoaan tasaisilla tasoilla. Perovskien ympärillä olevat telineet eivät myöskään estäneet niiden sähkötehoa.
Tämä on peliä muuttava saavutus. Ennen tätä innovaatiota tutkijoiden oli erittäin vaikea manipuloida ja luoda aurinkosähköisiä perovskiittisoluja, puhumattakaan heistä selviytymisestä ympäristössä.
"Kun kävin keskusteluja orgaanisen aurinkosähkön alussa, sanoisin:" Jos hengität näitä materiaaleja, ne epäonnistuvat ". Perovskiteille sanon "jos tarkastellaan niitä, ne epäonnistuvat", "vitsailee Dauskardt, päätutkija uudesta tutkimuksesta, joka julkaistiin Energy and Environment Science -julkaisussa.
Perovskites voivat olla jopa 100 kertaa hauraammat kuin lasi. Mutta sen karkaisemiseksi käytetyn telineen avulla solun mekaaninen kestävyys kasvaa kertoimella 30. Se lisää kennoon sekä kemiallisen että mekaanisen stabiilisuuden, jotta tutkijat voivat koskettaa sitä rikkomatta ja altistaa sen korkeille lämpötiloille pienemmällä todennäköisyydellä. heikkeneminen.
Altiasta valaistuna, kuusikulmaiset telineet ovat näkyvissä aurinkokennon alueilla, jotka on päällystetty hopeaelektrodilla. (Dauskardt Lab / Stanfordin yliopisto) Tokion yliopiston tutkijat tutkivat ensin perovskite-aurinkokennoa vaihtoehtona piisähkökennolle vuonna 2009, ja tutkijat ympäri maailmaa hyppäsivät kentälle. Perovskite-aurinkokennoilla on varmasti etuja. Toisin kuin piisolut, jotka vaativat korkeassa lämpötilassa prosessointia puhdistamiseksi ja kiteyttämiseksi, perovskite-aurinkokennot ovat suhteellisen yksinkertaisia valmistaa.
"Tämä on läpimurto yhdessä perovskiittitutkimuksen ryhmässä, koska se ratkaisee ongelmia, jotka varhaisen vaiheen konseptit kohtaavat kaupallistamisessa", sanoo Argonne-Luoteis-aurinkoenergian tutkimuskeskuksen (ANSER) toiminnanjohtaja ja johtaja Dick Co. Hän toteaa kuitenkin, että kehitys ei ole yleisesti sovellettavissa kaikkiin perovskite-aurinkokennotutkimuksiin. Perovskites-aurinkokennoja voidaan valmistaa monella tapaa, ja jokaisella laboratoriolla on oma painopiste.
Koska kiteiset rakenteet voidaan tehdä erilaisista elementeistä, esteettisiä mahdollisuuksia on myös paljon. Aurinkokennot voidaan asentaa ikkunoihin, korien yläpuolelle tai muille valolle alttiille pinnoille. Jotkut yritykset tulostavat jopa soluja.
Co epäilee, että perovskite-aurinkokennot vaikuttavat alun perin markkinarakoihin.
"Voin nähdä, että niitä myydään iPadin näppäimistölatureilla, integroituna rakennuksiin ja ehkä autoihin, kuten auton kaareva konepelti", hän sanoo. "Mutta on vaikea kuvitella, että tehdään [prototyyppi] perovskite-aurinkokenno, joka on pikkukuvan kokoinen ja jota käytetään laajasti, varsinkin kun piin aurinkotehtaat pumppaavat tarpeeksi moduuleja peittämään pienet maat."
Siitä huolimatta, että parantunut tehokkuus ja kestävyys, tutkijat ovat matkalla valmistamaan kennon valmiiksi tuottamaan sähköä monissa ympäristöissä. Tutkijat ovat hakeneet väliaikaista patenttia.
Uudessa aurinkokennossa käytetään kuusikulmaista telinettä (harmaa) perovskiitin (musta) jakamiseen mikrosoluiksi mekaanisen ja kemiallisen stabiilisuuden aikaansaamiseksi. (Dauskardt Lab / Stanfordin yliopisto) Dauskardtin testissä solut saavuttivat 15 prosentin hyötysuhteen, mikä on paljon korkeampi kuin vuoden 2009 ensimmäinen testi, joka muutti 4 prosenttia valosta sähköksi. Piipaneelien hyötysuhteet ovat noin 25 prosenttia, ja laboratoriossa perovskites ovat saavuttaneet 20 prosentin ylöspäin. Tutkijat ovat arvioineet aurinkosähköisten perovsiittien teoreettisen tehokkuuden noin 30 prosenttiin.
Dauskardt ajattelee, että hänen tiiminsä pystyisi parantamaan telineitä, jotka on alun perin rakennettu halpoilla, helposti saatavilla olevilla materiaaleilla, lisätäkseen kennon tehokkuutta.
”Olimme niin yllättyneitä, että voimme tehdä sellaisen yhtä helposti kuin pystyimme. Nyt kysymys on, onko olemassa parempia telineitä, joita voimme käyttää? Kuinka saamme takaisin valon, joka putoaa telineiden seinälle? ”, Dauskardt sanoo. Hän ja hänen kollegansa aikovat kokeilla valoa hiukkasia siruttavia materiaaleja.
Perovskite-aurinkokenno tarjoaa mahdollisuuden halpaan valmistukseen, suhteellisen nopeaan markkinointiin (Dauskardt arvioi seuraavien kolmen tai viiden vuoden aikana) ja uskomattoman monipuolisiin sovelluksiin. Se tarjoaa vain seuraavan suuren aurinkopaneelin 2020-luvulta ja sen jälkeen.
Joten kun tämä perho sumisee korvassa, voit olla varma, että luonto, kaikissa muodoissaan, inspiroi.
