Öka solenergi: Duke-forskare undersöker sätt att förbättra paneler

Publiceringsdatum:

Varför används inte solenergi i större utsträckning? När allt kommer omkring genererar solceller elektricitet ur solljus, en gratis och i princip oändlig resurs.

En anledning är att dagens solcellsceller är relativt ineffektiva. De släpper bara ut ungefär en fjärdedel av den energi de tar in från solen. Om den effektiviteten kunde förbättras skulle solpaneler kunna ta upp mindre fastigheter samtidigt som de pumpar ut mer el.

"I slutet av dagen är effektivitet utmaningen med solenergi", säger Adrienne Stiff-Roberts, PhD, som är Jeffrey N. Vinik professor i elektro- och datorteknik. "Om solceller är mer effektiva, då är tekniken billigare [per producerad enhet el] och du talar om att förnybar energi är en ersättning för kolbaserade energikällor."

På Duke arbetar Stiff-Roberts och hennes kollegor med ny solcellsteknik som en dag skulle kunna fånga mer energi från solljus.

Ett sätt att öka effektiviteten hos solceller är att ändra deras kemiska sammansättning. Nuvarande solceller använder kisel, ett oorganiskt element som är långvarigt, bra på att transportera elektriska laddningar och tillfredsställande på att absorbera ljusenergi. Vissa organiska molekyler är å andra sidan bra på att absorbera ljusenergi, men kan snabbt brytas ned i närvaro av fukt och syre.

Fördelarna med organiska molekyler går utöver deras ljusabsorberande egenskaper. "En organisk kemist kan designa organiska molekyler som har alla möjliga funktioner," säger Stiff-Roberts. "De kan vara flexibla."

Att kombinera oorganiska och organiska föreningar till en solcell, säger Stiff-Roberts, kan erbjuda "det bästa av två världar." Men att arbeta med den här typen av hybridmaterial är inte lätt.

För det första måste hybridmaterialet deponeras som en film, nanometer tjock, som fungerar som en halvledare. Tunnfilmshalvledare finns redan överallt i enheter vi använder varje dag, som mobiltelefoner, datorer och tv-apparater. Men ofta är dessa halvledare gjorda av oorganiska mineraler. Tekniken med vilken de avsätts i tunna filmer fungerar inte för organiska föreningar.

Det finns sätt att deponera organiska molekyler i en tunn film, men antingen fungerar de bara för små organiska molekyler eller så utmanas de att deponera flera lager som krävs för solceller.

Nu har Stiff-Roberts och hennes team utvecklat och demonstrerat en teknik för att deponera hybridmaterial gjorda av både oorganiska och stora organiska föreningar. "Min grupp bidrog med ett nytt tillvägagångssätt som skiljer sig fundamentalt från vad alla andra gjorde," säger hon.

"Vår avsättning är väldigt skonsam. Den [organiska molekylen] överförs från källa till substrat utan förändring."

Stiff-Roberts utmanade traditionella processer genom att göra en emulsion (tänk olja och vinäger) med de organiska molekylerna suspenderade som oljedroppar i vatten. Detta skyddar de stora molekylerna från att gå sönder under deponering.

Hon tilldelades nyligen $1 miljoner från National Science Foundation som BRITE Fellow för att undersöka möjligheten att skala upp sin labbbaserade teknik för tunnfilmsavsättning av hybridmaterial för att göra det kommersiellt lönsamt att tillverka.

Ett av de mest lovande hybridmaterialen som solforskare eftersträvar är perovskit, ett naturligt förekommande mineral som har manipulerats för att acceptera organiska molekyler i sin kristallina struktur. De organiska molekylerna fångas i det kristallina gittret som smör i brunnarna på en våffla.

Effektiviteten hos experimentella hybridperovskitsolceller har ökat med stormsteg under det senaste decenniet, och förbättrats mycket snabbare än konventionella och andra experimentella soltekniker. "Det har sporrat alla typer av investeringar och forskning i det här utrymmet", säger Stiff-Roberts, som redan har visat att hennes teknik fungerar med tunnfilmshybridperovskiter.

Stiff-Roberts samarbetar nära med Duke ingenjörskollegor, inklusive teoretikern Volker Blum, docent i maskinteknik och materialvetenskap, och materialdesignern David Mitzi, Simon Family Professor i maskinteknik och materialvetenskap vid Duke University.

De tre är en del av ett nationellt centrum, finansierat av Department of Energy och med huvudkontor vid National Renewable Energy Laboratory, som undersöker de grundläggande egenskaperna hos perovskiter och andra hybridmaterial.

"Det finns mycket med dessa material som vi inte förstår," säger Stiff-Roberts, "och om du inte förstår materialet kan du inte förbättra det eller kontrollera det för att göra bättre enheter."

Att göra en bättre enhet är dock bara det första steget. Stiff-Roberts säger att övergången från fossila bränslen till förnybara energikällor kommer att kräva engagemang från flera discipliner – inte bara vetenskap och ingenjörskonst, utan allt från politik till ekonomi. Hon upptäcker att Duke-studenter och doktorander dyker in i dessa problem med entusiasm, ofta i tvärvetenskapliga miljöer, till exempel Bass Connections-team på campus eller i Nicholas Institute for Energy, Environment, and Sustainability.

"Om du vill lösa problem med förnybar energi," säger hon, "har allt samband. Och Duke har expertis inom alla dessa bredare aspekter. Det är där Duke har något unikt att erbjuda.”

(C) Duke University

Ursprunglig artikelkälla: WRAL TechWire