Solarenergie: Wie ein "Solar Tarp" -Design die Kraft der Sonne nutzen kann

Das Energieerzeugungspotenzial von Sonnenkollektoren - und eine wichtige Einschränkung bei ihrer Nutzung - ist das Ergebnis davon, woraus sie bestehen. Platten aus Silizium fallen im Preis, so dass sie an einigen Standorten Strom liefern können, der etwa genauso teuer ist wie Strom aus fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdgas. Silikonsolarkollektoren sind jedoch auch sperrig, starr und spröde, sodass sie nicht überall eingesetzt werden können.

In vielen Teilen der Welt, in denen es keinen regulären Strom gibt, könnten Sonnenkollektoren Leselicht nach Einbruch der Dunkelheit bereitstellen und Energie zum Pumpen von Trinkwasser bereitstellen, kleine Haushalts- oder Dorfbetriebe unterstützen oder sogar Notunterkünfte und Flüchtlingslager beherbergen. Die mechanische Fragilität, Schwere und Transportschwierigkeiten von Silizium-Sonnenkollektoren legen jedoch nahe, dass Silizium möglicherweise nicht ideal ist.

Aufbauend auf der Arbeit anderer arbeitet meine Arbeitsgruppe an der Entwicklung flexibler Solarmodule, die so effizient wie eine Siliziumplatte sein könnten, aber dünn, leicht und biegbar wären. Diese Art von Gerät, das wir als "Sonnenschutzplane" bezeichnen, könnte sich auf die Größe eines Raumes ausbreiten und Strom aus der Sonne erzeugen, und es könnte so groß sein, dass es die Größe einer Grapefruit hat und in einen Rucksack gestopft wird 1000 Mal ohne zu brechen. Zwar gab es einige Anstrengungen, um organische Solarzellen einfach durch ultradünne Herstellung flexibler zu machen, aber echte Haltbarkeit erfordert eine molekulare Struktur, die die Solarzellen dehnbar und widerstandsfähig macht.

Silizium-Halbleiter

Silizium wird aus Sand gewonnen, was es billig macht. Und die Art, wie seine Atome sich in einem festen Material befinden, macht ihn zu einem guten Halbleiter, dh die Leitfähigkeit kann mit elektrischen Feldern oder Licht ein- und ausgeschaltet werden. Silizium ist die Basis für die Mikrochips und Leiterplatten in Computern, Mobiltelefonen und allen anderen elektronischen Geräten, da es billig und nützlich ist und elektrische Signale von einer Komponente zur anderen überträgt. Silizium ist auch der Schlüssel zu den meisten Sonnenkollektoren, da es die Energie des Lichts in positive und negative Ladungen umwandeln kann. Diese Ladungen fließen zu den gegenüberliegenden Seiten einer Solarzelle und können wie eine Batterie verwendet werden.

Aufgrund seiner chemischen Eigenschaften kann daraus jedoch keine flexible Elektronik werden. Silizium absorbiert Licht nicht sehr effizient. Photonen können direkt durch eine zu dünne Siliziumplatte laufen, so dass sie ziemlich dick sein müssen - etwa 100 Mikrometer (etwa die Dicke einer Dollarnote) -, damit kein Licht verschwendet wird.

Halbleiter der nächsten Generation

Forscher haben jedoch andere Halbleiter gefunden, die viel besser Licht absorbieren können. Eine Gruppe von Materialien, "Perowskite" genannt, kann verwendet werden, um Solarzellen herzustellen, die fast so effizient sind wie Silizium, jedoch mit lichtabsorbierenden Schichten, die ein Tausendstel der für Silizium benötigten Dicke sind. Daher arbeiten die Forscher am Bau von Perovskit-Solarzellen, die kleine unbemannte Flugzeuge und andere Geräte antreiben können, bei denen die Reduzierung des Gewichts ein Schlüsselfaktor ist.

Den Nobelpreis für Chemie im Jahr 2000 erhielten Forscher, die erstmals feststellten, dass sie eine andere Art ultradünner Halbleiter herstellen könnten, die als Halbleiterpolymer bezeichnet werden. Diese Art von Material wird als "organischer Halbleiter" bezeichnet, da es auf Kohlenstoff basiert, und es wird als "Polymer" bezeichnet, da es aus langen Ketten organischer Moleküle besteht. Organische Halbleiter werden bereits kommerziell verwendet, einschließlich in der Milliarden-Dollar-Industrie für organische Leuchtdiodenanzeigen, besser bekannt als OLED-Fernseher.

Polymerhalbleiter können Sonnenlicht nicht so effizient in Elektrizität umwandeln wie Perowskite oder Silizium, aber sie sind viel flexibler und möglicherweise außerordentlich langlebig. Reguläre Polymere - nicht halbleitende - sind im täglichen Leben überall zu finden. Sie sind die Moleküle, aus denen Stoff, Kunststoff und Farbe bestehen. Polymerhalbleiter haben das Potenzial, die elektronischen Eigenschaften von Materialien wie Silizium mit den physikalischen Eigenschaften von Kunststoff zu kombinieren.

Das Beste aus beiden Welten: Effizienz und Haltbarkeit

Kunststoffe weisen je nach Struktur ein breites Spektrum an Eigenschaften auf - sowohl Flexibilität als auch eine Plane; und Steifigkeit wie die Karosserieteile einiger Automobile. Halbleiterpolymere haben starre molekulare Strukturen und viele bestehen aus winzigen Kristallen. Dies ist der Schlüssel zu ihren elektronischen Eigenschaften, neigt jedoch dazu, sie brüchig zu machen, was weder für flexible noch für starre Gegenstände wünschenswert ist.

Die Arbeit meiner Gruppe konzentrierte sich darauf, Wege zu finden, um Materialien mit sowohl guten halbleitenden Eigenschaften als auch der Haltbarkeit von Kunststoffen zu schaffen - ob flexibel oder nicht. Dies ist der Schlüssel zu meiner Vorstellung von einer Solarplane oder -decke, könnte aber auch zu Dachmaterialien, Bodenfliesen für den Außenbereich oder sogar zu den Oberflächen von Straßen oder Parkplätzen führen.

Diese Arbeit wird der Schlüssel dazu sein, die Kraft des Sonnenlichts zu nutzen - denn das Sonnenlicht, das in einer Stunde auf die Erde fällt, enthält mehr Energie als die gesamte Menschheit in einem Jahr verbraucht.

Dieser Artikel wurde ursprünglich auf The Conversation von Darren Lipomi veröffentlicht. Lesen Sie hier den Originalartikel.