Kar zadeva elemente, je silicij na drugem mestu le po kisiku, ko gre za obilje na Zemlji. Zaradi tega in njegovih lastnosti kot polprevodnika je že dolgo hrbtenica elektronike. Gradivo je v vsem, od računalniških čipov do radia. Konec koncev je istoimensko središče sodobne tehnološke industrije v Kaliforniji, Silicijeva dolina.
Ko že govorimo o sončnem tehnološkem kapitalu, je silicij glavni element, ki se uporablja na sončnih panelih. Trije znanstveniki iz New Jerseyjevega podjetja Bell Telephone so v petdesetih letih prejšnjega stoletja patentirali prvo silicijevo sončno celico - prvo sončno celico, ki se je štela za praktično, z zmožnostjo pretvorbe 6 odstotkov dohodne svetlobe v uporabno elektriko. Material odtlej dominira na trgu sonca. Danes je več kot 90 odstotkov plošč, proizvedenih po vsem svetu, kristalnih silicijevih PV plošč.
Silicij si je prislužil toliko statusa in vpliva na trg z malo konkurence v sončnem prostoru, da le malokdo ve, da obstajajo druge možnosti za sončno energijo.
Perovskiti ali kristalne strukture so nova vrsta sončnih celic, sestavljena iz skupnih elementov, kot je metilamonijev svinčev jodid. Perovskite je lažje izdelati in lahko potencialno pretvorijo sončno svetlobo v električno energijo z večjo hitrostjo kot silikonske celice. Izziv je, da so perovskiti izjemno krhki.
Znanstveniki z univerze Stanford pa namigujejo iz narave. Da bi perovskite postale bolj trpežne, so se potrudile do prožne strukture muhovega očesa.
Sestavljeno oko muhe je sestavljeno iz več sto šesterokotnih segmentiranih oči, vsako pa je zaščiteno z organskim beljakovinskim ogrodjem za zaščito. Oči so organizirane v obliki satja, in ko eden odpove, drugi še vedno delujejo. Celoten organ ima odvečnost in vzdržljivost, ki ju raziskovalci upajo ponovno ustvariti na sončnih panelih.
Raziskovalci so skozi testiranje loma postavili odrov, napolnjene s perovskitom. (Dauskardt Lab / Univerza Stanford) Reinhold Dauskardt in njegova skupina za inženirske materiale sta iz standardnega fotoresistega ali svetlobno občutljivega materiala ustvarila ogrodje v obliki satja, široko le 500 mikronov. Če si iz narave izposodimo še en primer, ko čebela ustvari satje in ga nato napolni z medom, znanstveniki zgradijo to zaščitno strukturo in nato v njej naredijo perovskit. Raztopino elementov vrtijo v ogrodje, dodajo toploto in gledajo, kako se kristalizira, da doseže strukturo perovskita in njegove fotovoltaične lastnosti. Znanstveniki nato sončno celico premažejo s srebrno elektrodo, da bi jo zatesnili in njeno sposobnost zajemanja energije.
V predhodnem laboratorijskem testu so Dauskardtove sončne celice, ki so široke približno šest pramenov las, ohranile svojo strukturo in funkcionalnost. Ko so bile šest tednov izpostavljene visokim temperaturam in vlagi (185 stopinj Fahrenheita in 85 odstotkov relativne vlažnosti), so celice še naprej proizvajale električno energijo na enakomernih nivojih. Odri okoli perovskitov niso odvrnili tudi od njihove električne moči.
To je dosežek, ki spreminja igre. Pred to inovacijo je bilo raziskovalcem zelo težko manipulirati in ustvariti fotovoltaične celice perovskita, kaj šele, da bi preživele v okolju.
"Ko sem na začetku govoril o organski fotovoltaiki, bi rekel, " če vdihnete te materiale, ti ne bodo uspeli. " V primeru perovskitov si rečem, "če jih pogledate, ne bodo uspeli, " se šali Dauskardt, glavni raziskovalec nove študije, objavljene v Energy and Environment Science .
Perovskiti so lahko tudi do 100-krat bolj krhki od stekla. Toda z odrom, ki ga uporabljamo za njegovo kaljenje, se mehanska vzdržljivost celice poveča za faktor 30. To celici doda kemično in mehansko stabilnost, tako da se jo lahko raziskovalci dotikajo, ne da bi jo pokvarili, in jo izpostavili visokim temperaturam z manjšo možnostjo poslabšanje.
Ko so osvetljene od spodaj, so v območjih sončne celice, prevlečene s srebrno elektrodo, vidne šesterokotne odre. (Dauskardt Lab / Univerza Stanford) Raziskovalci na tokijski univerzi so prvič raziskovali fotovoltaično celico perovskita kot alternativo silikonski fotovoltaični celici leta 2009, raziskovalci po vsem svetu pa so skočili na polje. Perovskite sončne celice imajo zagotovo svoje prednosti. Za razliko od silicijevih celic, ki za čiščenje in kristalizacijo potrebujejo visokotemperaturno obdelavo, so perovskitne sončne celice razmeroma preproste za izdelavo.
"To je preboj v eno sekt raziskav perovskita, ker rešuje težave, s katerimi se koncepti v zgodnji fazi srečujejo na poti do komercializacije, " pravi Dick Co, direktor operacij in dosežkov v raziskovalnem centru za sončno energijo Argonne-Northwestern (ANSER). Kljub temu priznava, da razvoj ni splošno uporaben za vse raziskave sončnih celic perovskita. Obstaja toliko načinov izdelave sončnih celic za perovskite in vsak laboratorij ima svoj fokus.
Ker so kristalne strukture lahko izdelane iz različnih elementov, obstaja tudi veliko estetskih možnosti. Sončne celice se lahko namestijo v okna, avtomobilske vrhove ali druge površine, ki so izpostavljene svetlobi. Nekatera podjetja celo tiskajo celice.
So sumniki, da bodo perovskite sončne celice na začetku vplivale na tržne niše.
"Lahko bi jih videl, da se prodajajo na tipkovnikih polnilcev iPad, vgrajenih v zgradbe in morda v avtomobile, kot je ukrivljen pokrov avtomobila, " pravi. "Toda težko si je predstavljati, da bi naredili [prototip] sončne celice perovskite velikosti sličice velike in široko uporabljene, še posebej, ko silicijeve sončne tovarne izčrpajo dovolj modulov za pokritje majhnih držav."
Kljub temu so raziskovalci z izboljšanjem učinkovitosti in trajnosti pripravljeni celici pripraviti proizvodnjo električne energije v številnih okoljih. Raziskovalci so zaprosili za začasni patent.
V novi sončni celici se šesterokotni oder (siva) uporablja za razdelitev perovskita (črna) v mikrocelice, da se zagotovi mehanska in kemijska stabilnost. (Dauskardt Lab / Univerza Stanford) V Dauskardtovem testu so celice dosegle 15-odstotno stopnjo izkoristka, kar je veliko več kot prvi test leta 2009, ki je pretvoril 4 odstotke svetlobe v električno energijo. Stopnja učinkovitosti silikonskih plošč je približno 25 odstotkov, v laboratoriju pa so perovskiti dosegli 20 odstotkov več. Raziskovalci so ocenili teoretično zmogljivost fotovoltaičnih perovskitov na približno 30 odstotkov.
Dauskardt meni, da bo njegova ekipa morda izboljšala oder, prvotno zgrajen s poceni, lahko dostopnimi materiali, da bi povečal učinkovitost celice.
"Bili smo tako presenečeni, da smo si ga lahko naredili tako enostavno, kot bi lahko. Zdaj pa je vprašanje, ali obstajajo boljši odri, ki jih lahko uporabljamo? Kako lahko ujamemo svetlobo, ki bi padla na steno? "Pravi Dauskardt. S sodelavci načrtuje eksperimentiranje z materiali za razprševanje svetlobe.
S potencialom za poceni proizvodnjo, razmeroma hitro komercializacijo (Dauskardt ocenjuje v naslednjih treh do petih letih) in neverjetno raznolikimi aplikacijami, bo perovskitna sončna celica morda ravno za prihodnjo veliko sončno ploščo leta 2020 in pozneje.
Torej, ko vam muha šviga v uho, bodite prepričani, da narava navdihuje v vseh oblikah.
