Jopo la jua kwenye paa ya Walmart, Mountain View, California.
Walmart / Flickr, CC BY

Mahitaji ya kimataifa ya nishati yanaongezeka kwa saa kama nchi zinazoendelea zinahamia kuelekea viwanda. Wataalam wanakadiria kuwa kwa mwaka wa 2050, mahitaji duniani kote ya umeme yanaweza kufikia Watoto wa 30 (TW). Kwa mtazamo, terawatt moja ni sawa sawa na nguvu za farasi bilioni 1.3.

Nishati kutoka jua haipatikani - jua hutupa 120,000 TW ya nguvu kwa papo hapo - na ni bure. Lakini leo nishati ya jua hutoa tu juu ya asilimia moja ya umeme wa dunia. Changamoto muhimu ni kuifanya kuwa na gharama kubwa ya kubadilisha picha-nishati katika nishati inayoweza kutumika ya umeme.

Ili kufanya hivyo, tunahitaji kupata vifaa vinavyoweza kupata jua na kuzibadilisha kwa umeme. Aidha, tunataka vifaa hivi kuwa vingi, vyema vya mazingira na gharama nafuu kuunda vifaa vya jua.

Watafiti kutoka duniani kote wanajitahidi kuendeleza teknolojia za kiini za jua ambazo zina ufanisi na za bei nafuu. Lengo ni kuleta gharama za usambazaji wa umeme wa jua chini ya US $ 1 kwa watt, ikilinganishwa na kuhusu $ 3 kwa watt leo.

Katika Chuo Kikuu cha Binghamton Kituo cha Nguvu za jua za Nguvu (CASP), sisi ni kuchunguza njia za kufanya nyembamba seli za jua za seli kutumia vifaa ambazo ni nyingi katika asili na zisizo za sumu. Tunataka kuendeleza seli za jua ambazo ni za kuaminika, zenye ufanisi sana katika kugeuza jua kwa umeme na gharama nafuu kutengeneza. Tumegundua vifaa viwili ambavyo vina uwezo mkubwa wa kupatikana kwa jua: pyrite, inayojulikana kama dhahabu ya mjinga kwa sababu ya kitambaa cha chuma; na shaba-zinki-bati-sulfidi (CZTS).

Kutafuta nyenzo bora

Siri za jua za kibiashara za leo zinafanywa kutoka kwenye moja ya vifaa vitatu: silicon, cadmium telluride (CdTe) na shaba-indium-gallium-selenide (CIGS). Kila mmoja ana nguvu na udhaifu.

Silili za jua za jua zina ufanisi sana, zinabadilisha hadi asilimia 25 ya jua inayoanguka kwao kwenye umeme, na hudumu sana. Hata hivyo, ni ghali sana kutengeneza silicon ndani ya wafers. Na vitunguu hivi vinapaswa kuwa nyepesi sana (kuhusu milimita ya 0.3, ambayo ni nene kwa seli za jua) ili kupata jua zote zinazoanguka juu yao, ambayo huongeza gharama zaidi.

Silili za jua za seli za jua - mara nyingi hujulikana kama seli za jua za kizazi cha kwanza - zinatumiwa kwenye paneli ambazo zimekuwa zimejitokeza kwenye vituo vya paa. Kituo chetu kinajifunza aina nyingine inayoitwa nyembamba za seli za jua, ambazo ni kizazi kijacho cha teknolojia ya jua. Kama jina lake linavyoonyesha, seli nyembamba za jua za jua zinafanywa kwa kuweka safu nyembamba ya nyenzo za jua za kunyonya juu ya substrate, kama kioo au plastiki, ambazo zinaweza kubadilika.

Hizi seli za jua hutumia vifaa vichache, hivyo ni ghali zaidi kuliko seli za jua za fuwele zinazotolewa kutoka kwa silicon. Haiwezekani kuvaa silicon ya fuwele kwenye substrate rahisi, kwa hivyo tunahitaji nyenzo tofauti kutumia kama jua.

Ijapokuwa teknolojia nyembamba ya teknolojia ya nishati ya jua inakua kwa haraka, baadhi ya vifaa vya seli za jua za nishati ya jua za leo ni rache au hazina. Kwa mfano, cadmium katika CdTe ni sumu sana kwa vitu vyote vilivyo hai na inajulikana kusababisha saratani katika binadamu. CdTe inaweza kujitenga katika cadmium na telluriamu kwenye joto la juu (kwa mfano, katika maabara au nyumba ya moto), na kusababisha hatari kubwa ya kuvuta pumzi.

Tunafanya kazi na pyrite na CZTS kwa sababu sio na sumu na haitoshi sana. Gharama za CZTS kuhusu senti 0.005 kwa watt, na gharama za pyrite senti ya 0.000002 tu kwa watt. Pia ni miongoni mwa vifaa vingi zaidi katika ukanda wa Dunia, na hupata wigo unaoonekana wa jua kwa ufanisi. Filamu hizi zinaweza kuwa nyembamba kama 1 / 1000th ya millimeter.

Kupima CZTS seli za jua chini ya mwanga wa jua.
Chuo Kikuu cha Tara Dhakal / Binghamton, Mwandishi alitoaTunahitaji kuimarisha vifaa hivi kabla tuweze kuzizalisha katika seli za jua. Hii inafanywa kwa kuwaka. CZTS huangaza joto chini ya shahada ya 600 Celsius, ikilinganishwa na digrii za 1,200 au zaidi kwa ajili ya silicon, ambayo inafanya gharama kubwa ya mchakato. Inafanya mengi kama shaba ya juu ya ufanisi wa shaba ya gallium selenide (CIGS) ya seli za jua, ambazo zinapatikana kwa biashara sasa, lakini zinachukua nafasi ya indiamu na gallium katika seli hizi zilizo na zinc na zenye bei nafuu zaidi.

Hadi sasa, hata hivyo, seli za nishati ya jua za CZTS hazifanyi kazi: zinabadili chini kuliko 13 asilimia ya mwanga wa jua unaoanguka juu yao kwa umeme, ikilinganishwa na asilimia 20 kwa CIGS zaidi ya seli za jua.

Tunajua kwamba seli za jua za CZTS zina uwezo wa kuwa na asilimia ya 30 yenye ufanisi. Changamoto kuu ni 1) kuunganisha filamu yenye ubora wa CZTS yenye ubora usio na uchafu, na 2) kupata nyenzo zinazofaa kwa safu ya "buffer" chini yake, ambayo husaidia kukusanya mashtaka ya umeme ambayo jua inajenga kwenye safu ya ngozi. Maabara yetu yamezalisha filamu nyembamba ya CZTS asilimia saba ya ufanisi; tunatumaini kufikia ufanisi wa asilimia ya 15 hivi karibuni kwa kuunganisha tabaka za juu za CZTS na kutafuta tabaka zinazofaa za buffer.

Muundo wa CZTS kiini cha nishati ya jua.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Mwandishi alitoaPyrite ni absorber nyingine inayoweza kuunganishwa kwa joto la chini sana. Maabara yetu yameunganisha filamu za pyrite nyembamba, na sasa tunatumia kuifanya filamu hizo kwenye seli za jua. Utaratibu huu ni changamoto kwa sababu pyrite hupungua kwa urahisi wakati inaonekana kwa joto na unyevu. Sisi ni kutafuta njia za kuifanya imara bila kuathiri absorbency ya jua na mali ya mitambo. Ikiwa tunaweza kutatua tatizo hili, "dhahabu ya mjinga" inaweza kugeuka kwenye kifaa cha smart photovoltaic.

Katika utafiti wa hivi karibuni, watafiti katika Chuo Kikuu cha Stanford na Chuo Kikuu cha California huko Berkeley walidhani kuwa nguvu za jua zinaweza kutoa hadi asilimia 45 ya umeme wa Marekani na 2050. Ili kufikia lengo hilo, tunahitaji kuendelea kuendesha gharama za nguvu za jua na kutafuta njia za kufanya seli za jua zaidi kwa ustawi. Tunaamini kwamba vifaa vingi, visivyo na sumu ni muhimu kwa kutambua uwezekano wa nguvu za jua.

Kuhusu Mwandishi

Tara P. Dhakal, Profesa Msaidizi wa Uhandisi wa Umeme na Kompyuta, Chuo Kikuu cha Binghamton, Chuo Kikuu cha Jimbo cha New York. Maslahi yake ya utafiti ni katika nishati mbadala, hasa nishati ya jua. Lengo lake la utafiti ni kufikia teknolojia ya kiini ya jua ambayo ni ya kiuchumi na ya gharama nafuu ya kiuchumi.

Makala hii ilichapishwa awali Mazungumzo. Soma awali ya makala.

Vitabu kuhusiana

at InnerSelf Market na Amazon