太陽エネルギー：「太陽防水シート」設計は太陽の力をどのように利用できるか

ソーラーパネルのエネルギー生成の可能性、そしてその使用に対する重要な制限は、それらが作られていることの結果です。シリコン製のパネルは、一部の地域では石炭や天然ガスなどの化石燃料からの電力とほぼ同じコストで電力を供給できるように、価格が下がっています。しかし、シリコンソーラーパネルもかさばっていて、剛性があり、もろいので、どこにでも使用することはできません。

定期的に電力が供給されていない世界の多くの地域で、ソーラーパネルは、飲料水の汲み上げ、小規模な家庭や村を拠点とする企業への電力供給、あるいは緊急避難所や難民収容所への電力供給に役立ちます。しかし、シリコン太陽電池パネルの機械的な脆弱性、重さ、および輸送上の問題から、シリコンは理想的ではない可能性があります。

私の研究グループは、他の人の仕事に基づいて、シリコンパネルと同じくらい効率的ではあるが、薄くて軽量で、そして曲げることができる柔軟なソーラーパネルの開発に取り組んでいます。我々がこれを「ソーラータープ」と呼んでいるこの種の装置は、部屋の大きさに広げられて太陽から電気を生成することができ、グレープフルーツの大きさになるように丸められてバックパックに詰め込まれることができます。壊れることなく1000回も。有機太陽電池を単に超薄型にすることによってより柔軟にする努力がなされてきたが、実際の耐久性は太陽電池パネルを伸縮性で強靭にする分子構造を必要とする。

シリコン半導体

シリコンは砂から派生しているため、安価です。そして、その原子が固体材料に詰め込まれている方法は、それを優れた半導体にします。つまり、電場または光を使用してその導電性を切り替えることができます。シリコンは安価で便利なので、コンピュータ、携帯電話、そして基本的には他のすべての電子機器のマイクロチップや回路基板の基盤となり、あるコンポーネントから別のコンポーネントに電気信号を伝送します。シリコンは、光からのエネルギーを正電荷と負電荷に変換することができるため、ほとんどのソーラーパネルにとっても重要です。これらの電荷は太陽電池の反対側に流れ、電池のように使うことができます。

しかし、その化学的性質はまた、それがフレキシブルエレクトロニクスに変わることができないことを意味します。シリコンは光をあまり効率的に吸収しません。光子は、薄すぎるシリコンパネルを通過する可能性があるため、かなり厚くなければなりません - 約100マイクロメートル、1ドル紙幣の厚さ - 光がすべて無駄にならないように。

次世代半導体

しかし研究者たちは、光を吸収するのにはるかに優れている他の半導体を見つけました。 「ペロブスカイト」と呼ばれる一群の材料を使用して、シリコンとほぼ同じくらい効率的であるが、シリコンで必要とされる厚さの1000分の1の光吸収層を有する太陽電池を製造することができる。結果として、研究者たちは小型の無人航空機や軽量化が重要な要素となる他の機器に電力を供給できるペロブスカイト太陽電池の製造に取り組んでいます。

2000年のノーベル化学賞は、半導体ポリマーと呼ばれる別の種類の超薄型半導体を製造できることを初めて見出した研究者に授与されました。このタイプの材料は、炭素をベースにしているため「有機半導体」と呼ばれ、有機分子の長鎖からなるため「ポリマー」と呼ばれます。有機半導体はすでに商業的に使用されており、OLED TVとしてよく知られている10億ドル規模の有機発光ダイオードディスプレイが含まれています。

ポリマー半導体は、ペロブスカイトやシリコンほど太陽光を電気に変換するのに効率的ではありませんが、はるかに柔軟で潜在的に非常に耐久性があります。半導体ではなく通常のポリマーは、日常生活のいたるところに見られます。それらは、布地、プラスチック、そして塗料を構成する分子です。ポリマー半導体は、シリコンのような材料の電子特性とプラスチックの物理特性を組み合わせる可能性を秘めています。

両方の長所：効率と耐久性

それらの構造に応じて、プラスチックは広い範囲の特性を有する - タープと同様に両方の柔軟性を含む。そしていくつかの自動車の車体パネルのような剛性。半導体ポリマーは剛直な分子構造を有し、そして多くは小さな結晶からなる。これらはそれらの電子的性質にとって重要であるが、それらを脆くする傾向があり、それは柔軟な又は硬い品目のいずれにとっても望ましい属性ではない。

私のグループの仕事は、優れた半導体特性と耐久性のあるプラスチックの両方を持つ材料を作成する方法を特定することに焦点を当ててきました。これがソーラータープや毛布という私の考えの鍵となるでしょうが、屋根材、屋外の床タイル、あるいは道路や駐車場の表面さえも導きかねません。

なぜなら、結局のところ、1時間で地球に当たる太陽光は、1年間に人類が使用するすべてのエネルギーよりも多くのエネルギーを含んでいるからです。

この記事は、もともとDarren LipomiによるThe Conversationに掲載されたものです。ここで元の記事を読んでください。