Så vidt elementerne går, er silicium kun anden for ilt, når det kommer til overflod på Jorden. For dette og dets egenskaber som halvleder har det længe været rygraden i elektronik. Materialet er i alt fra computerchips til radioer. Det er trods alt navnene til den moderne tech-industris hub i Californien, Silicon Valley.
Apropos den solrige tech-hovedstad er silicium det primære element, der bruges i solcellepaneler. Tre forskere fra New Jersey's Bell Phone Company patenterede den allerførste siliciumsolcelle - den første solcelle, der blev betragtet som praktisk, med dens evne til at konvertere 6 procent af indkommende lys til brugbar elektricitet - i 1950'erne. Materialet har domineret solmarkedet lige siden. I dag er mere end 90 procent af paneler, der produceres over hele verden, krystallinske PV-paneler af silicium.
Silicium har opnået så meget status og markedsindflydelse, med lidt konkurrence i solrummet, at få ved, at der er andre muligheder for sol.
Perovskitter eller krystallinske strukturer er en ny type solcelle, der er lavet af fælles elementer såsom methylammonium blyiodid. Perovskitter er lettere at fremstille og har potentialet til at konvertere sollys til elektricitet med en større hastighed end siliciumceller. Udfordringen er, at perovskitter er ekstremt skrøbelige.
Forskere ved Stanford University tager imidlertid et hint fra naturen. For at gøre perovskitter mere holdbare har de set på den fjærende struktur i et flues øje.
En sammensat øje af en flue består af hundreder af hexagonale segmenterede øjne, hver afskærmet med et organisk protein "stillads" til beskyttelse. Øjnene er organiseret i en bikageform, og når den ene mislykkes, fungerer de andre stadig. Hele orgelet viser en overflødighed og holdbarhed, som forskerne håber at genskabe i solcellepaneler.
Forskerne anbragte stilladser fyldt med perovskit gennem brudningstest. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt og hans materialevidenskabsgruppe har skabt et bikageformet stillads, kun 500 mikron bredt, fra standard fotoresist eller lysfølsomt materiale. For at låne et andet eksempel fra naturen, ligesom en bi skaber en honningkage og derefter fylder den med honning, bygger forskere denne beskyttelsesstruktur og fremstiller derefter perovskiten inde i den. De roterer en opløsning af elementer i stilladset, tilføjer varme og ser det krystalliseres for at opnå perovskitestrukturen og dens fotovoltaiske egenskaber. Forskerne belægger derefter solcellen med en sølvelektrode for at forsegle den og dens evne til at fange energi.
I en foreløbig laboratorietest opretholdt Dauskardts solceller, som er omtrent lige så brede som seks hårstrenge, deres struktur og funktionalitet. Når de blev udsat for høje temperaturer og fugtighed (185 grader Fahrenheit og 85 procent relativ fugtighed) i seks uger, fortsatte cellerne med at producere elektricitet på ensartede niveauer. Stilladser omkring perovskitterne afskrækkede heller ikke deres elektriske output.
Dette er en præstation, der skifter spil. Før denne innovation var det meget vanskeligt for forskere at manipulere og skabe fotovoltaiske perovskitceller, hvad så meget mindre for dem at overleve i miljøet.
”Da jeg holdt foredrag i begyndelsen af organiske fotovoltaik, ville jeg sige, 'hvis du indånder disse materialer, vil de mislykkes.' Når det gælder perovskiter, siger jeg, 'hvis du ser på dem, vil de mislykkes, ' joker Dauskardt, hovedundersøger for den nye undersøgelse, der er offentliggjort i Energi og miljøvidenskab .
Perovskitter kan være op til 100 gange mere sprøde end glas. Men med det stillads, der bruges til at hærde det, øges cellens mekaniske holdbarhed med en faktor på 30. Det tilføjer cellen kemisk og mekanisk stabilitet, så forskere kan røre ved den uden at den går i stykker, og udsætter den for høje temperaturer med lavere chance for forringelse.
Når de sekskantede stilladser er oplyst nedenfra, er de synlige i områderne af solcellen, der er belagt med en sølvelektrode. (Dauskardt Lab / Stanford University) Forskere ved universitetet i Tokyo udforskede først den perovskitiske fotovoltaiske celle som et alternativ til den fotovoltaiske celle af silicium i 2009, og forskere over hele verden sprang ind i feltet. Perovskite solceller har bestemt deres fordele. I modsætning til siliciumceller, som kræver behandling ved høj temperatur for at rense og krystallisere, er perovskit solceller relativt enkle at fremstille.
”Dette er et gennembrud i en sekt af perovskiteforskning, fordi det løser problemer, som koncepter på tidligt stadium står overfor på vejen mod kommercialisering, ” siger Dick Co, direktør for operationer og opsøgende ved Argonne-nordvestlige solenergiforskningscenter (ANSER). Når det er sagt, anerkender han, at udviklingen ikke er universelt anvendelig til al perovskit solcelleforskning. Der er så mange måder, perovskites solceller kan fremstilles, og hvert laboratorium har sit eget fokus.
Da de krystallinske strukturer kan fremstilles af forskellige elementer, er der også mange æstetiske muligheder. Solcellerne kan udstyres i vinduer, biltopper eller andre overflader udsat for lys. Nogle virksomheder udskriver endda cellerne.
Co-mistænkte perovskite solceller vil i første omgang påvirke nichemarkeder.
”Jeg kunne se dem sælges på iPad-tastaturopladere, integreret i bygninger og måske på biler, f.eks. Den buede hætte i en bil, ” siger han. ”Men det er svært at forestille sig, at man laver en [prototype] perovskit solcelle på størrelse med en miniaturebillede, der er stor og vidt udbredt, især når siliciumsolefabrikker pumper ud nok moduler til at dække små lande.”
Ikke desto mindre, med forbedringer i effektivitet og holdbarhed, er forskere på vej til at gøre en celle klar til at producere elektricitet i mange miljøer. Forskerne har ansøgt om et foreløbigt patent.
I den nye solcelle bruges et sekskantet stillads (gråt) til at opdele perovskite (sort) i mikroceller for at give mekanisk og kemisk stabilitet. (Dauskardt Lab / Stanford University) I Dauskardts test opnåede cellerne en effektivitetsgrad på 15 procent, hvilket er meget højere end den første test i 2009, der konverterede 4 procent lys til elektricitet. Siliciumpanelens effektivitetshastigheder hviler omkring 25 procent, og i laboratoriet har perovskitter opnået en stigning på 20 procent. Forskere har estimeret den teoretiske effektivitetskapacitet for fotovoltaiske perovskitter til ca. 30 procent.
Dauskardt mener, at hans team måske kan forbedre stilladset, oprindeligt bygget med billige, let tilgængelige materialer, for at øge cellens effektivitet.
”Vi var så overrasket over, at vi kunne lave en så let som vi kunne. Nu er spørgsmålet, er der bedre stilladser, som vi kan bruge? Hvordan kan vi genskabe det lys, der ville falde på stilladsvæggen? ”Siger Dauskardt. Han og hans kolleger planlægger at eksperimentere med materialer, der spredes med lyspartikler.
Med potentialet for billig fremstilling, relativt hurtig kommercialisering (Dauskardt estimerer inden for de næste tre til fem år), og utroligt forskellige applikationer, kan den perovskitiske solcelle muligvis bare gøre til det næste store solcellepanel i 2020'erne og fremover.
Så når den flue brummer i dit øre, kan du være sikker på, at naturen i alle dens former inspirerer.
