Pokud jde o prvky jdou, křemík je druhým kyslíkem, pokud jde o hojnost na Zemi. Pro tento účel a jeho vlastnosti jako polovodič je již dlouhou dobu páteří elektroniky. Materiál je ve všem od počítačových čipů po rádia. Koneckonců je to jmenovník centra moderního technologického průmyslu v Kalifornii, Silicon Valley.
Když už mluvíme o slunné tech kapitál, křemík je primární prvek používaný v solárních panelech. Tři vědci z Bell Jersey Company v New Jersey patentovali první silikonové solární články - první solární články považované za praktické, se schopností přeměnit 6 procent přicházejícího světla na použitelnou elektřinu - v 50. letech 20. století. Od té doby tento materiál dominuje na solárním trhu. Dnes je více než 90 procent panelů vyráběných po celém světě krystalickými křemíkovými PV panely.
Křemík získal tolik postavení a tržního vlivu, s malou konkurencí v solárním prostoru, že jen málokdo ví, že existují jiné možnosti pro solární energii.
Perovskity nebo krystalické struktury jsou novým typem solárních článků, vyrobených z běžných prvků, jako je jodid methylamonium-olovnatý. Výroba perovskitů je snadnější a mají potenciál převést sluneční záření na elektřinu rychleji než křemíkové články. Výzvou je, že perovskity jsou extrémně křehké.
Vědci na Stanfordské univerzitě však berou náznak přírody. Aby se perovskity staly odolnějšími, podívali se na odolnou strukturu oka mouchy.
Složené oko mouchy se skládá ze stovek hexagonálních segmentovaných očí, z nichž každé je chráněno organickým proteinem „lešení“ pro ochranu. Oči jsou uspořádány do voštinového tvaru, a když jeden selže, ostatní fungují. Celý orgán vykazuje nadbytečnost a odolnost, kterou vědci doufají, že se znovu vytvoří v solárních panelech.
Vědci nechali lešení naplněné perovskitem testovat na zlomeniny. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt a jeho inženýrská skupina pro vědu o materiálech vytvořili voštinové lešení, široké jen 500 mikronů, ze standardního fotorezistu nebo materiálu citlivého na světlo. Vědci si vypůjčují další příklad od přírody, stejně jako včely vytvářejí voštinu, a poté ji naplní medem, tuto ochrannou strukturu vytvoří a potom v ní vytvoří perovskit. Spřádají řešení prvků v rámci lešení, přidávají teplo a sledují, jak krystalizuje, aby se dosáhlo struktury perovskitu a jeho fotovoltaických vlastností. Vědci pak potahují solární článek stříbrnou elektrodou, aby ji uzavřeli a její schopnost zachytit energii.
Při předběžném laboratorním testu si Dauskardtovy sluneční články, které jsou asi šestimístné, udržovaly svou strukturu a funkčnost. Když byly buňky vystaveny vysokým teplotám a vlhkosti (185 stupňů Fahrenheita a 85 procent relativní vlhkosti) po dobu šesti týdnů, buňky nadále vyráběly elektřinu při stálých úrovních. Lešení kolem perovskitů neodradilo ani jejich elektrický výkon.
Jedná se o úspěch měnící hru. Před touto inovací bylo pro výzkumníky velmi obtížné manipulovat a vytvářet fotovoltaické perovskitové buňky, natož aby přežili v životním prostředí.
"Když jsem hovořil na začátku organické fotovoltaiky, řekl bych, " pokud na tyto materiály dýcháte, selhají. " V případě perovskitů říkám „pokud se na ně podíváte, neuspějí, “ “vtipy Dauskardt, hlavní vyšetřovatel nové studie, publikované v Energy and Environment Science .
Perovskity mohou být až 100krát křehčí než sklo. Ale s lešením použitým k jeho ztuhnutí se mechanická trvanlivost buňky zvyšuje o faktor 30. Přidává buňce jak chemickou, tak mechanickou stabilitu, aby se ji vědci mohli dotknout, aniž by se rozbili, a vystavit ji vysokým teplotám s nižší pravděpodobností zhoršení.
Když jsou osvětleny zespodu, jsou v oblasti solárního článku pokryté stříbrnou elektrodou viditelné hexagonální lešení. (Dauskardt Lab / Stanford University) Vědci na Tokijské univerzitě poprvé prozkoumali perovskitovou fotovoltaickou buňku jako alternativu k křemíkové fotovoltaické buňce v roce 2009 a vědci z celého světa skočili na pole. Solární články perovskitu mají své výhody. Na rozdíl od křemíkových článků, které vyžadují čištění a krystalizaci při vysokoteplotním zpracování, je výroba perovskitových solárních článků relativně jednoduchá.
„Jedná se o průlom v jedné části výzkumu perovskitů, protože řeší problémy, kterým čelí koncepty v rané fázi na cestě k komercializaci, “ říká Dick Co, ředitel provozu a terénní výzkum v Argonne-Severozápadním středisku pro výzkum sluneční energie (ANSER). To znamená, že uznává, že vývoj není univerzálně použitelný na veškerý výzkum perovskitových solárních článků. Existuje tolik způsobů, jak lze vyrobit perovskity solární články, a každá laboratoř má své vlastní zaměření.
Protože krystalické struktury mohou být vyrobeny z různých prvků, existuje také mnoho estetických možností. Solární články mohou být zabudovány do oken, topů automobilů nebo jiných povrchů vystavených světlu. Některé společnosti dokonce tisknou buňky.
Podezřelí solární články perovskitu budou mít zpočátku dopad na specializované trhy.
"Viděl jsem, jak se prodávají na nabíječkách klávesnice iPad, integrují se do budov a možná do automobilů, jako je zakřivená kapota automobilu, " říká. "Je však těžké si představit výrobu prototypu solárního článku typu perovskitu o velikosti miniatury velkého a široce rozmístěného, zejména když solární továrny na křemík vyčerpat dost modulů na pokrytí malých zemí."
Nicméně se zlepšením účinnosti a trvanlivosti jsou vědci na cestě k tomu, aby byla buňka připravena vyrábět elektřinu v mnoha prostředích. Vědci požádali o dočasný patent.
V novém solárním článku se používá hexagonální skafold (šedý) k rozdělení perovskitu (černý) na mikrobuňky pro zajištění mechanické a chemické stability. (Dauskardt Lab / Stanford University) V Dauskardtově testu dosáhly buňky účinnosti účinnosti 15 procent, což je mnohem více než první test v roce 2009, který převedl 4 procenta světla na elektřinu. Míra účinnosti křemíkových panelů je okolo 25 procent a v laboratoři perovskity dosáhly výše 20 procent. Vědci odhadli kapacitu teoretické účinnosti fotovoltaických perovskitů na asi 30 procent.
Dauskardt si myslí, že jeho tým může být schopen vylepšit lešení, původně postavené z levných, snadno dostupných materiálů, aby se zvýšila účinnost buňky.
"Byli jsme tak překvapeni, že jsme mohli jednoho vyrobit tak snadno, jak jsme mohli." Nyní je otázkou, zda existují lepší lešení, které můžeme použít? Jak můžeme zachytit světlo, které dopadne na zeď lešení? “Říká Dauskardt. On a jeho kolegové plánují experimentovat s materiály rozptylujícími částice světla.
S potenciálem levné výroby, relativně rychlou komercializací (odhady společnosti Dauskardt v příštích třech až pěti letech) a úžasně rozmanitými aplikacemi může solární článek perovskitů udělat jen další příští velký solární panel do roku 2020 a dále.
Takže když vám tato moucha bzučí v uchu, buďte ujištěni, že příroda ve všech jejích podobách inspiruje.
