Så langt elementer går, er silisium bare nestet med oksygen når det gjelder overflod på jorden. For dette og dets egenskaper som halvleder har det lenge vært ryggraden i elektronikk. Materialet er i alt fra datamaskinbrikker til radioer. Det er tross alt navnebror til den moderne teknologibransjens hub i California, Silicon Valley.
Når vi snakker om den solfylte teknologiske hovedstaden, er silisium det viktigste elementet som brukes i solcellepaneler. Tre forskere ved New Jersey's Bell Phone Company patenterte den aller første silisiumsolcellen - den første solcellen som ble ansett som praktisk, med sin evne til å konvertere 6 prosent av innkommende lys til brukbar strøm - på 1950-tallet. Materialet har dominert solmarkedet siden den gang. I dag er mer enn 90 prosent av paneler produsert over hele verden krystallinske silisium PV-paneler.
Silisium har tjent så mye status og markedsinnflytelse, med liten konkurranse i solrommet, at få vet at det er andre alternativer for solenergi.
Perovskitter, eller krystallinske strukturer, er en ny type solcelle, laget av vanlige elementer som metylammonium blyjodid. Perovskitter er enklere å produsere, og har potensial til å konvertere sollys til strøm med en større hastighet enn silisiumceller. Utfordringen er at perovskitter er ekstremt skjøre.
Forskere ved Stanford University tar imidlertid et hint fra naturen. For å gjøre perovskitter mer holdbare har de sett på den fjærende strukturen i et flues øye.
Det sammensatte øye til en flue består av hundrevis av sekskantede segmenterte øyne som hver er skjermet med et organisk protein "stillas" for beskyttelse. Øynene er organisert i en bikakeform, og når den ene svikter, fungerer de andre fremdeles. Hele orgelet viser en overflødighet og holdbarhet som forskere håper å gjenskape i solcellepaneler.
Forskerne la stillasene fylt med perovskitt gjennom bruddtesting. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt og hans materialtekniske gruppe har laget et bikakeformet stillas, bare 500 mikron bredt, fra standard fotoresist eller lysfølsomt materiale. For å låne et annet eksempel fra naturen, akkurat som en bie skaper en honningkake, og deretter fyller den med honning, bygger forskere denne beskyttende strukturen og lager deretter perovskitten inni den. De snurrer en løsning av elementer i stillasene, tilfører varme og ser på det utkrystalliseres for å oppnå den perovskite strukturen og dens fotovoltaiske egenskaper. Forskerne belegger deretter solcellen med en sølvelektrode for å tette den og dens evne til å fange energi.
I en foreløpig lab-test opprettholdt Dauskardts solceller, som er omtrent like brede som seks hårstrenger, sin struktur og funksjonalitet. Når de ble utsatt for høye temperaturer og luftfuktighet (185 grader Fahrenheit og 85 prosent relativ fuktighet) i seks uker, fortsatte cellene å produsere strøm på jevn nivå. Stillasene rundt perovskittene avskaffet heller ikke fra den elektriske effekten.
Dette er en spillendrende prestasjon. Før denne innovasjonen var det veldig vanskelig for forskere å manipulere og lage fotovoltaiske perovskitteceller, enn si for dem å overleve i miljøet.
"Da jeg holdt foredrag i begynnelsen av organiske solceller, vil jeg si: 'Hvis du puster på disse materialene, vil de mislykkes.' Når det gjelder perovskitter, sier jeg at 'hvis du ser på dem, vil de mislykkes, ' spøker Dauskardt, hovedetterforsker for den nye studien, publisert i Energy and Environment Science .
Perovskitter kan være opptil 100 ganger mer sprø enn glass. Men med stillaset som brukes til å tøffe den, øker cellens mekaniske holdbarhet med en faktor 30. Den tilfører både kjemisk og mekanisk stabilitet til cellen slik at forskere kan berøre den uten at den går i stykker, og utsetter den for høye temperaturer med lavere sjanse for forverring.
Når de sekskantede stillasene er belyst nedenfra, er de synlige i områdene av solcellen som er belagt med en sølvelektrode. (Dauskardt Lab / Stanford University) Forskere ved University of Tokyo utforsket først den perovskite fotovoltaiske cellen som et alternativ til den silisium fotovoltaiske cellen i 2009, og forskere over hele verden hoppet inn i feltet. Perovskite solceller har absolutt sine fordeler. I motsetning til silisiumceller, som krever behandling med høy temperatur for å rense og krystallisere, er perovskitt solceller relativt enkle å fremstille.
"Dette er et gjennombrudd i en sektor av perovskittforskning fordi det løser problemer som konsepter på tidlig stadium møter på veien til kommersialisering, " sier Dick Co, direktør for drift og oppsøkende ved Argonne-nordvestlige solenergiforskningssenter (ANSER). Når det er sagt, erkjenner han at utviklingen ikke er universelt anvendbar for all perovskitt solcelleforskning. Det er så mange måter perovskitter solceller kan lages på, og hver lab har sitt eget fokus.
Siden de krystallinske strukturer kan være laget av forskjellige elementer, er det også mange estetiske muligheter. Solcellene kan utstyres i vinduer, biltopper eller andre overflater utsatt for lys. Noen selskaper skriver til og med ut cellene.
Co mistenker perovskite solceller vil i første omgang påvirke nisjemarkeder.
"Jeg kunne se dem bli solgt på iPad-tastaturladere, integrert i bygninger og kanskje på biler, for eksempel den buede hetten på en bil, " sier han. "Men det er vanskelig å forestille seg å lage en [prototype] perovskitt solcelle på størrelse med et miniatyrbilde som er stort og utbredt, spesielt når silisiumsoljefabrikker pumper ut nok moduler til å dekke små land."
Ikke desto mindre, med forbedringer i effektivitet og holdbarhet, er forskere på vei til å gjøre en celle klar til å produsere strøm i mange miljøer. Forskerne har søkt om en foreløpig patent.
I den nye solcellen brukes et sekskantet stillas (grått) for å dele perovskitt (svart) i mikroceller for å gi mekanisk og kjemisk stabilitet. (Dauskardt Lab / Stanford University) I Dauskardts test oppnådde cellene en effektivitetsgrad på 15 prosent, som er mye høyere enn den første testen i 2009 som konverterte 4 prosent lys til strøm. Silikonpanelens effektivitetshastighet hviler rundt 25 prosent, og på laboratoriet har perovskitter oppnådd oppover på 20 prosent. Forskere har estimert den teoretiske effektivitetskapasiteten til fotovoltaiske perovskitter til omtrent 30 prosent.
Dauskardt tror teamet hans kan være i stand til å forbedre stillaset, opprinnelig bygget med billige, lett tilgjengelige materialer, for å øke cellens effektivitet.
”Vi var så overrasket over at vi kunne lage en så lett som vi kunne. Nå er spørsmålet, er det bedre stillas som vi kan bruke? Hvordan kan vi ta igjen lyset som ville falle på stillasveggen? Sier Dauskardt. Han og kollegene planlegger å eksperimentere med lys-partikkelspredende materialer.
Med potensialet for billig produksjon, relativt rask kommersialisering (Dauskardt anslår i løpet av de neste tre til fem årene), og utrolig forskjellige bruksområder, kan det hende at perovskittes solcelle bare gjør det til det neste flotte solcellepanelet på 2020-tallet og utover.
Så når den flua surrer i øret ditt, kan du være trygg på at naturen, i alle dens former, inspirerer.
