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5 insoliti pannelli solari del futuro
oggi pannelli solari al silicio - lontano dal finale sul percorso per frenare l'energia della luce solare e la sua conversione in energia elettrica utile. Molti lavori vengono ancora eseguiti dagli scienziati e in questo articolo considereremo cinque soluzioni insolite che alcuni dei ricercatori moderni stanno sviluppando.
Viene costruito l'American National Renewable Energy Laboratory (NREL) una batteria solare a base di cristalli semiconduttori, le cui dimensioni non superano diversi nanometri, questi sono i cosiddetti punti quantici. Il campione è già un campione in termini di efficienza quantica esterna e interna, che è stata rispettivamente del 114% e del 130%.
Queste caratteristiche mostrano il rapporto tra il numero di coppie di buchi di elettroni generati e il numero di fotoni incidenti sul campione (efficienza quantica esterna) e il rapporto tra il numero di elettroni generati e il numero di fotoni assorbiti (efficienza quantica interna) per una certa frequenza.
L'efficienza quantistica esterna è inferiore a quella interna, poiché non tutti i fotoni assorbiti partecipano alla generazione e alcuni dei fotoni incidenti sul pannello vengono semplicemente riflessi.
Il campione è composto dalle seguenti parti: un vetro in un rivestimento antiriflesso, uno strato di un conduttore trasparente, quindi strati nanostrutturati di ossido di zinco e punti quantici di selenide di piombo, quindi etaneditiolo e idrazina e un sottile strato d'oro come elettrodo superiore.
L'efficienza totale di una tale cella è di circa il 4,5%, ma questo è sufficiente per l'efficienza quantica piuttosto elevata ottenuta sperimentalmente di questa combinazione di materiali, il che significa che l'ottimizzazione e il miglioramento sono in anticipo.
Non una singola cella solare ha mostrato un'efficienza quantica esterna superiore al 100%, mentre l'unicità di questo sviluppo NREL risiede nel fatto che ogni fotone che cade sulla batteria crea più di una coppia elettrone-buco all'uscita.
La ragione del successo è stata la generazione multipla di eccitoni (MEG), un effetto che è stato inizialmente utilizzato per creare una batteria solare a tutti gli effetti in grado di generare elettricità. L'intensità dell'effetto è associata ai parametri del materiale, al gap di banda nel semiconduttore, nonché all'energia del fotone incidente.
La dimensione del cristallo è cruciale, poiché è all'interno di un piccolo volume che i punti quantici limitano i portatori di carica e possono raccogliere energia in eccesso, altrimenti questa energia andrebbe semplicemente persa sotto forma di calore.
Il laboratorio ritiene che gli elementi basati sull'effetto MEG siano candidati meritevoli per il titolo di una nuova generazione di pannelli solari.
Un altro approccio insolito alla creazione di celle solari è stato suggerito da Prashant Kamat dell'Università di Notre Dame. Il suo gruppo ha sviluppato un colorante a base di punti quantici di biossido di titanio ricoperti di solfuro di cadmio e selenide di cadmio sotto forma di una miscela acqua-alcool.
La pasta è stata applicata su una lastra di vetro con uno strato conduttivo, quindi è stata cotta e il risultato è stato batteria fotovoltaica. Un substrato convertito in un pannello fotovoltaico necessita solo di un elettrodo in cima, ed è possibile ottenere una corrente elettrica posizionandola al sole.
Gli scienziati ritengono che in futuro sarà possibile creare vernici per automobili e case, trasformando così, diciamo, il tetto di una casa o la carrozzeria di una vernice speciale in pannelli solari. Questo è l'obiettivo principale dei ricercatori.
Sebbene l'efficienza non sia elevata, solo l'1%, che è 15 volte inferiore rispetto ai pannelli di silicio convenzionali, la vernice solare può essere prodotta in grandi volumi e in modo molto economico.Pertanto, in futuro i bisogni energetici possono essere soddisfatti, affermano i chimici del gruppo Kamat, che chiamano la loro prole «Sun-credibile», che si traduce come "probabile solare".
Prossimo insolito metodo di conversione dell'energia solare offerta presso il Massachusetts Institute of Technology. Creazione di Andreas Mershin e colleghi batterie sperimentali basate su un complesso di molecole biologiche in grado di "raccogliere" la luce.
Il fotosistema PS-1, preso in prestito dal cyanobacterium Thermosynechococcus elongatus, è stato proposto dal biologo molecolare Shuguan Zhang e da alcuni suoi simili 8 anni prima dell'inizio degli attuali esperimenti, Andreas Mershin.
L'efficienza dei sistemi si è rivelata solo dello 0,1% circa, ma questo è già un passo importante sulla strada dell'introduzione di massa nella vita di tutti i giorni, perché i costi di creazione di tali dispositivi sono estremamente bassi, e in generale i proprietari biologici possono creare le proprie batterie utilizzando un set di prodotti chimici e una pila di erba appena tagliata . Nel frattempo, una serie di miglioramenti aumenterà l'efficienza all'1-2%, ovvero a un livello commercialmente praticabile.
Cellule precedentemente simili con fotosistemi potevano funzionare ragionevolmente solo con luce laser concentrata rigorosamente sulla cellula, e quindi solo in un intervallo di lunghezze d'onda ristrette. Inoltre, erano necessari prodotti chimici costosi e condizioni di laboratorio.
Un altro problema era che i complessi molecolari estratti dalle piante non potevano esistere a lungo. Ora, il team dell'istituto ha sviluppato una serie di peptidi tensioattivi che avvolgono il sistema e lo trattengono a lungo.
Aumentando l'efficienza della raccolta della luce, il team del Massachusetts Institute of Technology ha risolto il problema di proteggere i fotosistemi dalle radiazioni ultraviolette, che in precedenza avevano danneggiato il fotosistema.
Il PS-1 ora non veniva seminato su un substrato liscio, ma su una superficie con un'area efficace molto ampia, erano tubi di biossido di titanio spessi 3,8 μm con pori di 60 nm e barre di ossido di zinco denso alte diversi micrometri e diverse centinaia di nanometri di diametro .
Queste varianti del fotoanodo hanno permesso di aumentare il numero di molecole di clorofilla alla luce e hanno protetto i complessi PS-1 dai raggi ultravioletti, poiché entrambi i materiali li assorbono bene. Inoltre, i tubi di titanio e le barre di zinco svolgono anche il ruolo di una struttura e fungono da portatori di elettroni, mentre il PS-1 raccoglie la luce, la assimila e separa le cariche, come accade nelle cellule viventi.
Una cella esposta al sole ha fornito una tensione di 0,5 volt con una potenza specifica di 81 microW per centimetro quadrato e una densità di fotocorrente di 362 μA per centimetro quadrato, che è 10 volte superiore a qualsiasi altro sistema fotovoltaico noto precedentemente basato su fotosistemi naturali.
Ora parliamo celle solari a base di polimeri organici. Se stabiliranno una produzione in serie, saranno molto più economici dei concorrenti in silicio, nonostante abbiano già raggiunto un'efficienza del 10,9%. Batteria solare polimerica in tandem, creato da un team di scienziati dell'Università della California, Los Angeles (UCLA), ha diversi livelli, ognuno dei quali lavora con la propria parte dello spettro.
Una combinazione efficace di sostanze diverse che non interferiscono tra loro quando si lavora insieme è il punto più importante. Per questo motivo, gli autori hanno sviluppato appositamente polimeri coniugati con un gap di banda basso.
Nel 2011, gli scienziati sono riusciti a ottenere una tale cellula polimerica a strato singolo con un'efficienza del 6%, mentre la cellula tandem ha mostrato un'efficienza dell'8,62%. Lavorando ulteriormente, i ricercatori hanno deciso di espandere la gamma dello spettro di lavoro nella regione a infrarossi e hanno dovuto aggiungere il polimero della società giapponese Sumitomo Chemical, grazie al quale sono riusciti a raggiungere un'efficienza del 10,9%.
Questo design di maggior successo è costituito da una cella frontale realizzata con un materiale con un ampio gap di banda e una cella posteriore con un gap di banda stretto.Gli autori dello sviluppo sostengono che la creazione di un tale convertitore, incluso il costo dei materiali, non è molto costosa, inoltre, la tecnologia stessa è compatibile con i pannelli solari a film sottile prodotti oggi.
Sembra che nei prossimi anni le celle solari a base di polimeri organici diventeranno vitali dal punto di vista commerciale, perché gli sviluppatori hanno in programma di aumentare la loro efficienza al 15%, ovvero al livello di silicio.
A completare la recensione pannelli solari super sottili con uno spessore di 1,9 micronche è 10 volte più sottile di qualsiasi altra batteria a film sottile creata in precedenza. Insieme, scienziati giapponesi e austriaci hanno creato un pannello solare organico insolitamente flessibile. Alla dimostrazione, il prodotto è stato avvolto attorno a un capello umano con un diametro di 70 μm.
Per produrre la batteria sono stati utilizzati materiali tradizionali, ma il substrato è stato realizzato in polietilene tereftalato spesso 1,4 micron. Con un'efficienza del 4,2%, la potenza specifica della nuova batteria solare era di 10 watt per grammo, che è generalmente 1000 volte superiore all'indicatore corrispondente per le batterie al silicio multicristallino.
A questo proposito, sembra promettente lo sviluppo di aree come "tessuti intelligenti" e "pelle intelligente", dove oltre ai pannelli solari, i microcircuiti elettronici creati utilizzando una tecnologia simile possono essere altrettanto sottili e flessibili.
Vedi anche:5 design insoliti di generatori eolici
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