Een klein stukje van een prototype zonnedoek. Universiteit van Californië, San Diego, CC BY-SA

Het energieopwekkend potentieel van zonnepanelen - en een belangrijke beperking van hun gebruik - is het resultaat van waaruit ze zijn gemaakt. Panelen gemaakt van silicium dalen in prijs, zodat ze op sommige locaties elektriciteit kunnen leveren kost ongeveer hetzelfde als stroom uit fossiele brandstoffen zoals kolen en aardgas. Maar siliciumzonnepanelen zijn ook omvangrijk, stijf en broos, zodat ze nergens overal kunnen worden gebruikt.

In veel delen van de wereld die geen reguliere elektriciteit hebben, kunnen zonnepanelen zorgen lees licht in het donker en energie aan pomp drinkwater, helpen macht kleine huishoudelijke of dorpsgerichte bedrijven of zelfs serveren noodopvang en vluchtelingenkampementen. Maar de mechanische kwetsbaarheid, zwaarte en transportmoeilijkheden van siliciumzonnepanelen suggereren dat silicium misschien niet ideaal is.

Voortbouwend op andermans werk, mijn onderzoeksgroep werkt eraan flexibele zonnepanelen ontwikkelen, die net zo efficiënt zou zijn als een siliconenpaneel, maar dun, licht en buigbaar zou zijn. Dit soort apparaat, dat we een "zonnescherm"Kan worden uitgespreid tot de grootte van een kamer en elektriciteit opwekken uit de zon, en het kan worden opgebold tot een grapefruit en in een rugzak zo veel als 1,000-tijden worden gevuld zonder te breken. Hoewel er enige moeite is gedaan om organische zonnecellen eenvoudig flexibeler te maken ze ultradun maken, echte duurzaamheid vereist een moleculaire structuur die de zonnepanelen rekbaar en taai maakt.

Silicium halfgeleiders

Silicium is afgeleid van zand, waardoor het goedkoop is. En de manier waarop de atomen in een vast materiaal worden verpakt, maakt het tot een goede halfgeleider, wat betekent dat de geleidbaarheid ervan kan worden in- en uitgeschakeld met behulp van elektrische velden of licht. Omdat het goedkoop en nuttig is, silicium is de basis voor de microchips en printplaten in computers, mobiele telefoons en eigenlijk alle andere elektronica, die elektrische signalen van de ene component naar de andere verzendt. Silicium is ook de sleutel tot de meeste zonnepanelen, omdat het de energie van licht kan omzetten in positieve en negatieve ladingen. Deze ladingen stromen naar de tegenovergestelde zijden van een zonnecel en kunnen worden gebruikt als een batterij.

Maar de chemische eigenschappen betekenen ook dat het niet in flexibele elektronica kan worden omgezet. Silicium absorbeert licht niet erg efficiënt. Fotonen kunnen dwars door een siliciumpaneel gaan dat te dun is, dus ze moeten behoorlijk dik zijn - rond 100 micrometers, over de dikte van een dollarbiljet - zodat geen van het licht verloren gaat.

Volgende-generatie halfgeleiders

Maar onderzoekers hebben andere halfgeleiders gevonden die veel beter in staat zijn licht te absorberen. Eén groep materialen, genaamd "perovskieten, "Kan worden gebruikt om zonnecellen te maken die dat wel zijn bijna net zo efficiënt als siliconen, maar met lichtabsorberende lagen van een duizendste van de dikte die nodig is met silicium. Als gevolg daarvan zijn onderzoekers bezig met bouwen perovskiet-zonnecellen die kleine onbemande vliegtuigen kunnen aandrijven en andere apparaten waar het verminderen van gewicht een sleutelfactor is.

De 2000 Nobelprijs voor scheikunde werd toegekend aan de onderzoekers die als eerste ontdekten dat ze een ander soort ultradunne halfgeleider konden maken, een halfgeleidend polymeer. Dit type materiaal wordt een "organische halfgeleider" genoemd omdat het is gebaseerd op koolstof en het wordt een "polymeer" genoemd omdat het bestaat uit lange ketens van organische moleculen. Organische halfgeleiders worden al commercieel gebruikt, waaronder in de miljardenindustrie of organische licht-emitterende diodeschermen, beter bekend als OLED-tv's.

Polymerhalfgeleiders zijn niet zo efficiënt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit als perovskieten of silicium, maar ze zijn veel meer flexibel en potentieel buitengewoon duurzaam. Normale polymeren - niet de halfgeleiders - zijn overal in het dagelijks leven te vinden; het zijn de moleculen waaruit stof, plastic en verf bestaat. Polymerhalfgeleiders hebben het potentieel om de elektronische eigenschappen van materialen zoals silicium te combineren met de fysieke eigenschappen van kunststof.

Het beste van beide werelden: efficiëntie en duurzaamheid

Kunststoffen hebben, afhankelijk van hun structuur, een breed scala aan eigenschappen - inclusief flexibiliteit, zoals met een zeildoek; en stijfheid, zoals de carrosseriepanelen van sommige auto's. Halfgeleidende polymeren hebben starre moleculaire structuren en veel zijn samengesteld uit kleine kristallen. Deze zijn essentieel voor hun elektronische eigenschappen, maar hebben de neiging om ze bros te maken, wat geen wenselijk kenmerk is voor flexibele of onbuigzame items.

Het werk van mijn groep was gericht op het identificeren van manieren om te creëren materialen met zowel goede halfgeleidende eigenschappen als de duurzaamheid kunststoffen staan ​​erom bekend - of ze nu flexibel zijn of niet. Dit zal de sleutel zijn tot mijn idee van een zonnescherm of deken, maar kan ook leiden tot dakbedekkingsmaterialen, buitentegels of misschien zelfs de oppervlakken van wegen of parkeerplaatsen.

Dit werk zal de sleutel zijn tot het benutten van de kracht van zonlicht - want per slot van rekening bevat het zonlicht dat de aarde in één uur raakt, meer energie dan de hele mensheid in een jaar gebruikt.

Over de auteur

Darren Lipomi, hoogleraar Nanoengineering, University of California San Diego

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon