ผ้าใบกันน้ำพลังงานแสงอาทิตย์ต้นแบบชิ้นเล็กๆ มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานดิเอโก, CC BY-ND

ศักยภาพในการผลิตพลังงานของแผงโซลาร์เซลล์ – และข้อจำกัดที่สำคัญในการใช้งาน – เป็นผลมาจากสิ่งที่พวกเขาสร้างขึ้น แผงที่ทำจากซิลิกอนมีราคาลดลงจนในบางพื้นที่สามารถจ่ายกระแสไฟฟ้าได้ ราคาใกล้เคียงกับพลังงานจากเชื้อเพลิงฟอสซิล เช่นถ่านหินและก๊าซธรรมชาติ แต่แผงโซลาร์เซลล์ซิลิคอนก็มีขนาดใหญ่ แข็ง และเปราะ ดังนั้นจึงไม่สามารถใช้งานได้ทุกที่

ในหลายพื้นที่ของโลกที่ไม่มีไฟฟ้าปกติ แผงโซลาร์เซลล์สามารถจัดหาให้ได้ ไฟอ่านหนังสือหลังมืด และพลังงานให้กับ ปั้มน้ำดื่ม, ช่วยด้วย ขับเคลื่อนธุรกิจในครัวเรือนขนาดเล็กหรือในหมู่บ้าน หรือแม้แต่เสิร์ฟ ที่พักพิงฉุกเฉินและค่ายผู้ลี้ภัย. แต่ความเปราะบางทางกล ความหนัก และความยากลำบากในการขนส่งของแผงเซลล์แสงอาทิตย์แบบซิลิคอน ชี้ให้เห็นว่าซิลิคอนอาจไม่เหมาะ

อาคารบน งานของคนอื่น, กลุ่มวิจัยของฉัน กำลังทำงานเพื่อ พัฒนาแผงโซลาร์เซลล์ที่มีความยืดหยุ่นซึ่งจะมีประสิทธิภาพเท่ากับแผงซิลิกอน แต่จะบาง น้ำหนักเบา และงอได้ อุปกรณ์ประเภทนี้ที่เราเรียกว่า “ผ้าใบกันน้ำพลังงานแสงอาทิตย์” สามารถแผ่ออกไปให้มีขนาดเท่ากับห้องและผลิตกระแสไฟฟ้าจากดวงอาทิตย์ และสามารถปั้นเป็นลูกขนาดเท่าส้มโอและยัดใส่กระเป๋าเป้ได้มากถึง 1,000 ครั้งโดยไม่แตกหัก ในขณะที่มีความพยายามที่จะทำให้เซลล์แสงอาทิตย์อินทรีย์มีความยืดหยุ่นมากขึ้นโดย simply ทำให้บางเฉียบความทนทานที่แท้จริงต้องใช้โครงสร้างโมเลกุลที่ทำให้แผงโซลาร์เซลล์มีความยืดหยุ่นและทนทาน

สารกึ่งตัวนำซิลิกอน

ซิลิคอนได้มาจากทรายซึ่งทำให้ราคาถูก และวิธีที่อะตอมของมันบรรจุในวัสดุแข็งทำให้เป็นเซมิคอนดักเตอร์ที่ดี ซึ่งหมายความว่าสามารถเปิดและปิดการนำไฟฟ้าได้โดยใช้สนามไฟฟ้าหรือแสง เพราะราคาถูกและมีประโยชน์ ซิลิกอนเป็นพื้นฐานสำหรับไมโครชิปและแผงวงจรในคอมพิวเตอร์โทรศัพท์มือถือและอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ ทั้งหมด ส่งสัญญาณไฟฟ้าจากส่วนประกอบหนึ่งไปยังอีกส่วนประกอบหนึ่ง ซิลิคอนยังเป็นกุญแจสำคัญสำหรับแผงโซลาร์เซลล์ส่วนใหญ่ เพราะมันสามารถแปลงพลังงานจากแสงเป็นประจุบวกและประจุลบได้ ประจุเหล่านี้จะไหลไปยังด้านตรงข้ามของเซลล์แสงอาทิตย์และสามารถใช้เป็นแบตเตอรี่ได้

แต่คุณสมบัติทางเคมีของมันยังหมายความว่าไม่สามารถเปลี่ยนเป็นอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ที่ยืดหยุ่นได้ ซิลิคอนไม่ดูดซับแสงอย่างมีประสิทธิภาพมาก โฟตอนอาจทะลุผ่านแผงซิลิกอนที่บางเกินไป ดังนั้นพวกมันจึงต้องหนาพอสมควร – ประมาณ 100 ไมโครเมตร เกี่ยวกับความหนาของธนบัตรดอลลาร์ - เพื่อไม่ให้แสงเสียไป

เซมิคอนดักเตอร์รุ่นต่อไป

แต่นักวิจัยพบว่าสารกึ่งตัวนำอื่นๆ ดูดซับแสงได้ดีกว่ามาก วัสดุกลุ่มหนึ่งเรียกว่า “perovskites” สามารถใช้ทำโซลาร์เซลล์ที่ มีประสิทธิภาพเกือบเท่ากับซิลิโคนแต่ด้วยชั้นดูดซับแสงที่มีความหนาเพียงหนึ่งพันเท่าที่จำเป็นกับซิลิกอน เป็นผลให้นักวิจัยกำลังทำงานในการสร้าง โซลาร์เซลล์ perovskite ที่สามารถจ่ายพลังงานให้กับเครื่องบินไร้คนขับขนาดเล็กได้ และอุปกรณ์อื่นๆ ที่การลดน้ำหนักเป็นปัจจัยสำคัญ

พื้นที่ 2000 รางวัลโนเบลสาขาเคมี ได้รับรางวัลสำหรับนักวิจัยที่ค้นพบครั้งแรกว่าพวกเขาสามารถผลิตเซมิคอนดักเตอร์ชนิดบางเฉียบอีกประเภทหนึ่งที่เรียกว่าพอลิเมอร์กึ่งตัวนำ วัสดุประเภทนี้เรียกว่า "สารกึ่งตัวนำอินทรีย์" เนื่องจากประกอบด้วยคาร์บอน และเรียกว่า "พอลิเมอร์" เนื่องจากประกอบด้วยสายโซ่ยาวของโมเลกุลอินทรีย์ เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์มีการใช้ในเชิงพาณิชย์แล้ว รวมถึงใน อุตสาหกรรมพันล้านดอลลาร์ of จอแสดงผลไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์รู้จักกันดีในชื่อ OLED TV

พอลิเมอร์เซมิคอนดักเตอร์ไม่มีประสิทธิภาพในการแปลงแสงแดดเป็นไฟฟ้าเหมือนกับเพอร์รอฟสกี้หรือซิลิกอน แต่มีมากกว่านั้นมาก ยืดหยุ่นและทนทานเป็นพิเศษ. โพลีเมอร์ทั่วไป – ไม่ใช่สารกึ่งตัวนำ – พบได้ทุกที่ในชีวิตประจำวัน คือโมเลกุลที่ประกอบเป็นผ้า พลาสติก และสี พอลิเมอร์เซมิคอนดักเตอร์มีศักยภาพในการรวมคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของวัสดุ เช่น ซิลิกอนเข้ากับคุณสมบัติทางกายภาพของพลาสติก

ที่สุดของทั้งสองโลก: ประสิทธิภาพและความทนทาน

พลาสติกมีคุณสมบัติหลากหลายทั้งนี้ขึ้นอยู่กับโครงสร้าง รวมทั้งความยืดหยุ่นเช่นเดียวกับผ้าใบกันน้ำ และความแข็งแกร่งเช่นเดียวกับแผงตัวถังของรถยนต์บางรุ่น โพลีเมอร์สารกึ่งตัวนำมีโครงสร้างโมเลกุลที่แข็ง และหลายชนิดประกอบด้วยผลึกขนาดเล็ก สิ่งเหล่านี้เป็นกุญแจสำคัญในคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ แต่มักจะทำให้เปราะ ซึ่งไม่ใช่คุณลักษณะที่พึงประสงค์สำหรับสิ่งของที่ยืดหยุ่นหรือแข็ง

งานกลุ่มของฉันมุ่งเน้นไปที่การระบุวิธีการสร้าง วัสดุที่มีคุณสมบัติเซมิคอนดักเตอร์ที่ดีและความทนทาน พลาสติกเป็นที่รู้จักสำหรับ - ไม่ว่าจะยืดหยุ่นหรือไม่ก็ตาม นี่จะเป็นกุญแจสำคัญในความคิดของฉันเกี่ยวกับผ้าใบกันน้ำหรือผ้าห่ม แต่อาจนำไปสู่วัสดุมุงหลังคา กระเบื้องปูพื้นกลางแจ้ง หรือแม้แต่พื้นผิวของถนนหรือที่จอดรถก็ได้

งานนี้จะเป็นกุญแจสำคัญในการควบคุมพลังของแสงแดด เพราะท้ายที่สุดแล้ว แสงแดดที่กระทบพื้นโลกในหนึ่งชั่วโมงประกอบด้วย พลังงานมากกว่าที่มนุษย์ใช้ในหนึ่งปี.

เกี่ยวกับผู้เขียน

ดาร์เรน ลิโพมิ ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมนาโน มหาวิทยาลัยแห่งแคลิฟอร์เนียซานดิเอโก

บทความนี้ถูกเผยแพร่เมื่อวันที่ สนทนา. อ่าน บทความต้นฉบับ.

หนังสือที่เกี่ยวข้อง

at ตลาดภายในและอเมซอน