Forøgelse af solenergi: Duke-forskere udforsker måder at forbedre paneler på

Hvorfor er solenergi ikke mere udbredt? Når alt kommer til alt, genererer fotovoltaiske celler elektricitet ud af sollys, en gratis og i det væsentlige uendelig ressource.

En grund er, at nutidens solcelleceller er relativt ineffektive. De udleder kun omkring en fjerdedel af den energi, de optager fra solen. Hvis denne effektivitet kunne forbedres, kunne solpaneler optage mindre fast ejendom, mens de pumper mere elektricitet ud.

"I sidste ende er effektivitet udfordringen med solenergi," siger Adrienne Stiff-Roberts, ph.d, der er Jeffrey N. Vinik professor i elektro- og computerteknik. "Hvis solceller er mere effektive, så er teknologien billigere [pr. produceret elektricitetsenhed], og du taler om, at vedvarende energi er en erstatning for kulstofbaserede energikilder."

Hos Duke arbejder Stiff-Roberts og hendes kolleger på ny solcelleteknologi, der en dag kan fange mere energi fra sollys.

En måde at øge effektiviteten af solceller på er at ændre deres kemiske sammensætning. Nuværende solceller bruger silicium, et uorganisk grundstof, der er langtidsholdbart, fantastisk til at transportere elektriske ladninger og tilfredsstillende til at absorbere lysenergi. Visse organiske molekyler er derimod gode til at absorbere lysenergi, men kan hurtigt nedbrydes i nærvær af fugt og ilt.

Fordelene ved organiske molekyler går ud over deres lysabsorberende egenskaber. "En organisk kemiker kan designe organiske molekyler, der har alle mulige funktioner," siger Stiff-Roberts. "De kan være fleksible."

At kombinere uorganiske og organiske forbindelser i én solcelle, siger Stiff-Roberts, kunne tilbyde "det bedste fra begge verdener." Men at arbejde med denne slags hybridmaterialer er ikke let.

For det første skal hybridmaterialet aflejres som en film, nanometer tyk, der fungerer som en halvleder. Tyndfilmshalvledere er allerede allestedsnærværende i enheder, vi bruger hver dag, såsom mobiltelefoner, computere og fjernsyn. Men ofte er disse halvledere lavet af uorganiske mineraler. Teknikken, hvorved de afsættes i tynde film, virker ikke for organiske forbindelser.

Der er måder at deponere organiske molekyler på i en tynd film, men enten virker de kun for små organiske molekyler, eller også bliver de udfordret til at deponere flere lag, der kræves til solceller.

Nu har Stiff-Roberts og hendes team udviklet og demonstreret en teknik til deponering af hybridmaterialer lavet af både uorganiske og store organiske forbindelser. "Min gruppe bidrog med en ny tilgang, der er fundamentalt forskellig fra, hvad alle andre gjorde," siger hun.

"Vores aflejring er meget skånsom. Det [organiske molekyle] bliver overført fra kilde til substrat uden ændringer."

Stiff-Roberts udfordrede traditionelle processer ved at lave en emulsion (tænk olie og eddike) med de organiske molekyler suspenderet som oliedråber i vand. Dette beskytter de store molekyler mod at gå i stykker under aflejring.

Hun blev for nylig tildelt $1 million fra National Science Foundation som BRITE Fellow for at undersøge muligheden for at opskalere sin laboratoriebaserede teknik til tyndfilmsdeponering af hybridmaterialer for at gøre det kommercielt levedygtigt at fremstille.

Et af de mest lovende hybridmaterialer, som solforskere forfølger, er perovskit, et naturligt forekommende mineral, der er blevet manipuleret til at acceptere organiske molekyler i sin krystallinske struktur. De organiske molekyler er fanget i det krystallinske gitter som smør i brøndene i en vaffel.

Effektiviteten af eksperimentelle hybride perovskit-solceller er steget med stormskridt i løbet af det sidste årti og forbedret meget hurtigere end konventionelle og andre eksperimentelle solteknologier. "Det har ansporet alle typer af investeringer og forskning i dette rum," siger Stiff-Roberts, som allerede har demonstreret, at hendes teknik fungerer med tyndfilmshybridperovskitter.

Stiff-Roberts samarbejder tæt med Duke-ingeniørkolleger, herunder teoretiker Volker Blum, lektor i maskinteknik og materialevidenskab, og materialedesigner David Mitzi, Simon Family-professor i maskinteknik og materialevidenskab ved Duke University.

De tre er en del af et nationalt center, finansieret af Department of Energy og har hovedkvarter på National Renewable Energy Laboratory, der undersøger de grundlæggende egenskaber ved perovskiter og andre hybridmaterialer.

"Der er meget ved disse materialer, vi ikke forstår," siger Stiff-Roberts, "og hvis du ikke forstår materialet, kan du ikke forbedre det eller kontrollere det for at lave bedre enheder."

At lave en bedre enhed er dog kun det første skridt. Stiff-Roberts siger, at overgangen fra fossile brændstoffer til vedvarende energi vil kræve involvering fra flere discipliner - ikke kun videnskab og teknik, men alt fra politik til økonomi. Hun finder ud af, at Duke bachelor- og kandidatstuderende dykker ned i disse problemer med entusiasme, ofte i tværfaglige omgivelser, såsom Bass Connections-teams på campus eller i Nicholas Institute for Energy, Environment, and Sustainability.

"Hvis du vil løse problemer med vedvarende energi," siger hun, "det hænger sammen. Og Duke har ekspertise inden for alle disse bredere aspekter. Det er her, Duke har noget unikt at tilbyde.”

(C) Duke University

Original artikelkilde: WRAL TechWire