Saubere Stromversorgung
Veröffentlicht auf 11. August 2020 |
von Tina Casey
11. August 2020 durch Tina Casey
Kostengünstige Solarenergie haucht dem bedrängten US-amerikanischen Fertigungssektor bereits neues Leben ein, und dies ist erst der Anfang. Schließlich ist Silizium in der heutigen Solarindustrie König, und Silizium ist im Vergleich zu anderen Solarzellenmaterialien recht teuer. Stellen Sie sich vor, was passieren wird, wenn ein anderes, billigeres Material vorbeikommt und Silizium vom Hügel stößt.
Eine Verdrehung auf atomarer Ebene ist der Schlüssel zur hocheffizienten organischen Singulett-Spalt-Solarzelle der Zukunft (Bild über NREL).
Der Weg zu einer noch günstigeren Solarzelle
Solarzellenforscher haben sich diese Möglichkeit bereits vor Jahren vorgestellt, als sie eine organische Alternative zu Silizium entwickelten.
Das ist "organisch" wie auf Kohlenstoffbasis, im Gegensatz zu Silizium, das auch Silizium ist.
Für diejenigen unter Ihnen, die zu Hause punkten, ist Silizium ein sprödes, kristallines Material, das in Gruppe 14 von vorkommt das Periodensystem, eingeklemmt zwischen Kohlenstoff und dem Rest der Gruppe, einschließlich Geranie, Zinn, Blei und einem radioaktiven synthetischen Newcomer namens Flerovium.
Wenn Sie dieses Ding über Kristallin gefangen haben, ist dies der Schlüssel zur Silizium-Sonnenumwandlungsmagie.
Eine Solarzelle auf Kohlenstoffbasis hat dagegen keine kristalline Struktur. Es ist eher eine Form von Kunststoff. Deshalb ist eine organische Solarzelle dünn, leicht und flexibel.
Diese Eigenschaften bedeuten, dass organische Solarzellen auf Gebäude, Fenster, Autos, Kleidung und überall dort angewendet werden können, wo Siliziumsolarzellen unpraktisch sind, weil sie steifer, dicker und schwerer sind.
„Diese (organische Photovoltaik-) Technologie hat auch das theoretische Potenzial dazu Strom zu geringeren Kosten bereitstellen als Solartechnologien der ersten und zweiten Generation “, schwärmt das US-Energieministerium. „Da mit verschiedenen Absorbern farbige oder transparente OPV-Geräte hergestellt werden können, ist diese Technologie besonders für den gebäudeintegrierten PV-Markt attraktiv.“
Die kostengünstige organische Solarzelle: So nah und doch so fern
Wie Kunststoff sind auch organische Solarzellen billig. Die Solarumwandlungseffizienz einer organischen Solarzelle ist jedoch weit entfernt von den überlegenen Fähigkeiten von Silizium.
Das letzte Mal haben wir die organische Solarzelle überprüft Umwandlungseffizienz kaum über 17% gekratzt, während die neueste Version der Werbung Siliziumtechnologie nähert sich dem 25% -Niveau.
Zusätzlich zu diesem Mangel haben organische Solarzellen auch Aspekte der Haltbarkeit und Langlebigkeit zu bewältigen.
Auf der anderen Seite sind die Forscher auf der Suche nach einer Lösung für das Problem der Effizienz der Solarumwandlung.
Vergangenes Jahr, CleanTechnica nahm die neue Photovoltaik-Forschung der Columbia University zur Kenntnis, die ein Zwei-zu-Eins-Phänomen beinhaltet, das bei einigen Arten von organischen Solarzellen auftreten kann.
Typischerweise erzeugt ein Photon Licht ein Exziton in einer Solarzelle (Exziton bezieht sich auf den Energiezustand, der durch Sonnenlicht in einer Solarzelle erzeugt wird). In einem Phänomen, das als Singulett-Spaltung bezeichnet wird, können einige organische Solarzellen zwei Exzitonen aus einem Photon erzeugen. Wenn alles nach Plan läuft, führt dies zu einer deutlich effizienteren Solarzelle.
Die Singulett-Spalt-Solarzelle: Was für eine Wendung!
All dies klingt fabelhaft, aber da es kein kostenloses Mittagessen gibt, gibt es einen Haken. Die Lebensdauer der beiden Exzitonen ist kurzlebig. Sobald sie sich trennen, verschmelzen sie wieder miteinander. Die Columbia-Forscher haben dieses Problem gelöst, indem sie ein Molekül entworfen haben, das die beiden Exzitonen lange genug auseinander halten kann, um einen Unterschied zu machen.
Jetzt kommt neue Forschung von das National Renewable Energy Laboratory das beschreibt genau, wie dieser Mechanismus funktioniert.
Sie können alle Details aus der neu veröffentlichten Studie in der Zeitschrift erhalten Naturchemie unter dem Titel, "Räumliche Trennung von Triplett-Exzitonen treibt die endotherme Singulettspaltung an, ”Verfasst von Nadia Korovina, Chris Chang und Justin Johnson.
„Wir zeigen, dass die minimale Anzahl gekoppelter Chromophore, die für eine endotherme Singulettspaltung benötigt werden, drei beträgt, was einen ausreichenden statistischen Raum für Triplett-Exzitonen bietet, um sich zu trennen und eine Vernichtung zu vermeiden – und eine anschließende schnelle Rückkehr in den Singulett-Zustand“, erklärt das Team.
"Unsere Daten legen außerdem nahe, dass die Torsionsbewegung von Chromophoren um die Molekülachse nach der Triplettpaar-Trennung zur Erhöhung der Entropie beiträgt und somit die Triplett-Lebensdauer bei längeren Oligomeren verlängert", fügen sie hinzu.
Kürzere Version: Die Drehbewegung der gekoppelten Chromophore ermöglicht es den Exzitonen, länger in ihrem angeregten Zustand zu bleiben.
Hier ist der Erklärer von NREL:
„Durch die Erstellung und anschließende Verfeinerung eines Modells der Bewegung und Interaktion der Moleküle stellte das Team fest, dass eine Drehbewegung den Molekülen die Eigenschaften verleiht, die zur Isolierung der Tripletts erforderlich sind. Die Molekülkette ist normalerweise schlaff und flexibel, wenn sie nicht beleuchtet wird. Wenn es jedoch ein Photon absorbiert, dreht sich die Kette um ihre Mittelachse und versteift sich zunächst, was zu einer Form führt, die die Bildung von zwei Tripletts erleichtert. Das anschließende Verdrehen nach Abschluss des ersten Prozesses trägt dazu bei, die beiden Drillinge räumlich zu trennen und ihre Lebensdauer zu verlängern. “
Solarenergie zur Rettung der US-Industrie
Hast du das alles? Gut! Die nächsten Schritte umfassen die Synthese der speziellen Moleküle und die Herstellung einer Solarzelle aus diesen und die Lösung des Problems der Haltbarkeit und Langlebigkeit.
Halten Sie also nicht den Atem an für die hocheffiziente organische Dünnschichtsolarzelle mit Singulett-Spaltung der Zukunft. Die Forschung beschleunigt sich, aber kommerzielle Anwendungen befinden sich wahrscheinlich irgendwo am grünen Horizont.
In der Zwischenzeit tauchen jedoch bereits herkömmliche Dünnschichtsolarzellen in Anwendungen auf, in denen eine entfernte Stromquelle nützlich ist, wie beispielsweise in der Antarktis.
Auch für organische Solarzellen spielen niedrigere Herstellungskosten eine Rolle, was dazu beiträgt, die geringere Umwandlungseffizienz auszugleichen.
Und natürlich verschlingen die sinkenden Kosten für Siliziumsolarzellen bereits den Todesgriff fossiler Brennstoffe auf den Industriesektor des Landes.
In der neuesten Entwicklung in dieser Hinsicht, ein massives Stahlwerk in Pueblo, Colorado, wird eine 240-Megawatt-Solarenergie-Überarbeitung Dadurch können zwei von drei bestehenden Kohleblöcken im Kraftwerk Comanche abgeworfen werden.
Die Mühlen stammen aus dem Jahr 1881 und werden derzeit unter dem Dach des in Russland ansässigen EVRAZ geführt. Das ist interessant, aber der wirklich interessante Teil ist, dass der neue Solarpark auf dem Grundstück der Mühle errichtet wird.
Das ist interessant, weil die Pueblo-Mühle ursprünglich in Pueblo gebaut wurde, um das Kohlevermögen zu nutzen. Mit kostengünstiger Solarenergie muss die Schwerindustrie nicht mehr an Kohlebergwerke oder Kohletransportwege gebunden sein. Das könnte einen großen Unterschied machen, wie es die USA wollen Wiederherstellung des verarbeitenden Gewerbes auf den Fersen der COVID-19-Krise.
Der neue Solarpark mit dem Namen The Bighorn Solar Project wird von einer britischen Firma namens gebaut Lichtquelle BP, was auch interessant ist. Lightsource wurde 2017 vor knapp drei Jahren von dem alten fossilen Unternehmen BP übernommen und befindet sich seitdem auf einem Riss mit erneuerbaren Energien.
BP nutzt das Bighorn-Projekt voll aus, um seine Glaubwürdigkeit für erneuerbare Energien zu bewerben. Während es größere Solarparks gibt, hat Lightsource BP erklärt, dass Bighorn der größte Solarpark sein wird, der einem einzelnen Kunden in den USA gewidmet ist.
Wenn Sie sich fragen, wie die Pueblo-Mühle das vorhat Stahl mit sauberem Strom herstellen, Das ist eine gute Frage. Bei der Stahlherstellung wird normalerweise Kohle verwendet, aber die Mühle konzentriert sich derzeit auf das Recycling von Stahlschrott, und für diesen Vorgang sind Lichtbogenöfen ausreichend.
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Bild: über Nationales Labor für erneuerbare Energien"Durch Verdrehen bei Anregung können einige lange Ketten organischer Moleküle Triplett-Exzitonen an entgegengesetzten Enden des Moleküls isolieren."
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Über den Autor
Tina Casey ist spezialisiert auf militärische und unternehmerische Nachhaltigkeit, fortschrittliche Technologie, aufkommende Materialien, Biokraftstoffe sowie Wasser- und Abwasserprobleme. Die Artikel von Tina werden häufig auf Reuters, Scientific American und vielen anderen Websites veröffentlicht. Die geäußerten Ansichten sind ihre eigenen. Folgen Sie ihr auf Twitter @ TinaMCasey und Google+.