新的太阳能和照明技术如何推动可再生能源转型

新的太阳能和照明技术如何推动可再生能源转型
当前的太阳能技术还不够好。
安东尼奥·加西亚(Antonio Garcia), FAL

对更便宜,更环保的电力的需求意味着能源格局的变化比历史上任何其他时刻都快。 这是特别正确的 太阳能电力电池储存。 在过去十年中,两者的成本都以前所未有的速度下降,而诸如 杭州优欢照明电器有限公司 也扩大了。

廉价,无处不在的太阳能和储能的使用将改变我们生产和使用电力的方式,从而使运输部门电气化。 在新的基于化学的经济中,我们有潜力 储存可再生能源作为燃料,并支持构成“物联网“。

但是,我们当前的能源技术不会引领我们走向未来:我们将很快达到效率和成本的极限。 的 未来减排的潜力 例如,来自硅太阳能的电力成本受到限制。 每个面板的制造需要大量的能源,工厂 建造昂贵。 尽管生产成本可以进一步降低,但是太阳能装置的成本现在已经降低了 由临时演员主导 –安装,接线,电子设备等。

这意味着当前的太阳能发电系统不太可能满足我们30兆瓦(TW)全球电力需求的要求部分(如今它们的发电量不到1 TW) 足够快 解决诸如气候变化等问题。

同样,我们当前的LED照明和显示技术过于昂贵,色彩质量也不佳,无法在足够短的时间内实际替代传统照明。 这是一个问题,因为照明目前占 5% 世界的碳排放量。 需要新技术来迅速填补这一空白。

卤化物钙钛矿

我们在剑桥的实验室英格兰正在与一个有前途的新材料家族合作,称为 卤化物钙钛矿。 它们是半导体,在受到光刺激时会传导电荷。 钙钛矿墨水被沉积在玻璃或塑料上,以形成由金属,卤化物和有机离子组成的极薄的薄膜(大约是人类头发宽度的百分之一)。 当夹在电极触点之间时,这些薄膜会形成 太阳能电池或LED设备.

令人惊讶的是,只要调整其化学结构,就可以改变它们吸收或发出的光的颜色。 通过改变它们的生长方式,我们可以定制它们以使其更适合吸收光(用于太阳能电池板)或发光(用于LED)。 这使我们能够制造出不同颜色的太阳能电池和LED,它们从紫外光一直发射到可见光和近红外光。

尽管加工便宜且用途广泛,但这些材料已被证明在太阳能电池和发光器方面都非常有效。 钙钛矿太阳能电池命中 25.2年的效率为2019%,紧随其后的是晶体硅电池的26.7%以及钙钛矿LED 接近 现成的有机发光二极管(OLED)性能。

这些技术是 迅速商业化,尤其是在太阳能电池的正面。 总部位于英国的牛津光伏 建了一条生产线 并正在填写其第一个采购订单 在早期2021。 波兰公司Saule Technologies于2018年底发布了原型产品,其中包括 钙钛矿太阳能立面飞行员。 中国制造商Microquanta Semiconductor期望生产更多 200,000平方米 年底前在其生产线中安装面板。 美国的Swift Solar(我与他人共同创立的公司)正在开拓 高性能 电池具有轻巧,灵活的特性。

可以钙化的彩色钙钛矿发光油墨。可以钙化的彩色钙钛矿发光油墨。 ©Sandeep Pathak, 作者提供

之间 这些和其他公司,正在迅速发展。

太阳能窗户和柔性面板

与传统的硅电池不同,为了获得高效率,硅电池必须非常均匀,钙钛矿薄膜由以下材料组成: 马赛克“颗粒” 具有高度可变的尺寸(从纳米到毫米)和化学性质-但是它们的性能几乎与当今最好的硅电池一样好。 此外,小瑕疵或 缺陷 在钙钛矿膜中不会导致明显的功率损耗。 这样的缺陷对于硅面板或商用LED将是灾难性的。

尽管我们仍在试图理解这一点,但是这些材料迫使社区重新编写关于我们认为是理想的半导体的教科书:尽管–或– 也许甚至是因为–混乱.

假设我们可以使用这些材料制作“设计师”彩色太阳能电池,这些太阳能电池可以与建筑物或房屋融为一体,或者看起来像有色玻璃但又会产生太阳光 功率.

但是真正的机会是开发出比硅电池更高效的电池。 例如,我们可以将两种不同颜色的钙钛矿薄膜层叠在一起 “串联”太阳能电池。 每层将收获太阳光谱的不同区域,从而提高电池的整体效率。

另一个例子是牛津光伏公司的先驱:在标准硅电池的顶部添加钙钛矿层,从而提高现有技术的效率 无需大量额外费用。 这些串联分层方法可以快速创建一个 提高效率 超过30%的太阳能电池板,这将减少电池板和系统的成本,同时也减少了 能源足迹.

这些钙钛矿层也正在开发中,以制造可像新闻纸一样卷成卷状的柔性太阳能电池板。 降低成本。 轻巧的高功率太阳能也为电动汽车和通信卫星提供了动力。

柔性钙钛矿原型太阳能电池。柔性钙钛矿原型太阳能电池。 Plamen Petkov for《科学美国人》

对于LED,钙钛矿可以实现出色的性能 颜色质量 这可能导致高级 柔性显示技术。 钙钛矿还可以提供更便宜,更高质量的产品 白色照明 与当今的商用LED相比,能够制造出能够发出冷或暖白光或介于两者之间的任何所需阴影的地球仪“色温”。 他们还为建立基础而产生了兴奋 未来的量子计算机以及 X射线探测器 用于极低剂量的医学和安全成像。

尽管首批产品已经出现,但仍然存在挑战。 一个关键问题是展示 长期稳定性。 但是这项研究是有前途的,一旦解决了这些问题,卤化物钙钛矿就可以真正推动我们能源生产和消费的转型。谈话

关于作者

萨姆·斯特兰克斯(Sam Stranks),能源与皇家学会大学研究员, 剑桥大学

本文重新发表 谈话 根据知识共享许可。 阅读 原创文章.

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