Forstærker solen

I sit mørke laboratorium på MIT skinner Marc Baldo med en ultraviolet lampe på en 10-centimeters firkant af glas. Han har belagt glassets overflader med farvestoffer, der lyser svagt orange under lyset. Alligevel skinner de ubelagte kanter af glasset mere klart – fire pæne, tynde strimler af selvlysende orange.

Marc Baldo poserer med en samling af glasplader belagt med lys-emitterende organiske farvestoffer. Farvestofferne absorberer lys og sender det igen ind i glasset, som kanaliserer det til kanterne af pladerne. Baldo bruger enhederne til at koncentrere sollys, hvilket gør solenergi billigere.

Glaspladen er en ny slags solcellekoncentrator, en enhed, der samler diffust lys og fokuserer det på en relativt lille solcelle. Solceller, flerlagede elektroniske enheder lavet af højraffineret silicium, er dyre at fremstille, og jo større de er, jo mere koster de. Solar koncentratorer kan sænke de samlede omkostninger ved solenergi ved at gøre det muligt at bruge meget mindre celler. Men koncentratorerne er typisk lavet af buede spejle eller linser, som er omfangsrige og kræver dyre mekaniske systemer, der hjælper dem med at spore solen.

Denne historie var en del af vores september 2008-udgave

• Se resten af ​​problemet
• Abonner

I modsætning til spejle og linser i konventionelle solenergikoncentratorer fungerer Baldos glasplader som bølgeledere og kanaliserer lys på samme måde, som fiberoptiske kabler transmitterer optiske signaler over lange afstande. Farvestofferne, der dækker glassets overflader, absorberer sollys; forskellige farvestoffer kan bruges til at absorbere forskellige bølgelængder af lys. Derefter gengiver farvestofferne lyset ind i glasset, som kanaliserer det til kanterne. Solcellestrips fastgjort til kanterne absorberer lyset og genererer elektricitet. Jo større glassets overflade sammenlignet med tykkelsen af ​​kanterne, jo mere koncentreres lyset, og til et vist punkt, jo mindre er strømomkostningerne.

Baldo, en lektor i elektroteknik, offentliggjorde sine resultater for nylig i Videnskab . På grundlag heraf regner han med, at hans solcellekoncentratorer kan gøres store nok til, at den elektricitet, de hjælper med at generere, kan konkurrere med elektricitet fra fossile brændstoffer. Faktisk, siger Baldo, kan paneler udstyret med koncentratorer være den billigste solcelleteknologi.

Multimedier

• Se, hvordan solcellekoncentratoren fungerer.

Hemmelig ingrediens
Processen til fremstilling af Baldos solenergikoncentratorer begynder nede ad gangen i et andet laboratorium. En postdoc-forsker, Shalom Goffri, tager flere flasker fyldt med farverige farvepulvere fra et skab og måler pulverne op i små hætteglas. Nogle af farvestofferne blev udviklet til brug i billak; andre er blevet brugt i organiske lysdioder. Begge typer farvestoffer kan holde i årevis i solen, en kvalitet, der er afgørende for solenergikoncentratorer. Når han har målt pulverne ud, tilføjer Goffri et opløsningsmiddel til hver for at lave en flydende blæk.

De næste trin finder sted inde i en forseglet boks, så Goffri ikke inhalerer de opløsningsmidler, der bruges til at fremstille farvestoffet. Han rækker ind i kassen ved hjælp af tykke sorte handsker monteret i glasfronten og blander forsigtigt forskellige blæk sammen. Bestemmelsen af ​​den rigtige kombination af blæk løste et grundlæggende problem, som forskere er stødt på med denne type solenergikoncentrator. Hvis glaspladen er belagt med et farvestof, der absorberer sollys i f.eks. det grøn-til-blå område af solspektret og udsender lys af samme bølgelængde, vil det udsendte lys hurtigt blive reabsorberet af farvestoffet, og lidt af det nogensinde vil nå kanten af ​​glasset. Problemet har begrænset størrelsen af ​​disse solenergikoncentratorer, da jo længere lyset skal rejse til kanterne, jo mindre af lyset vil nå det.

Ved at bruge visse kombinationer af farvestoffer blandet med andre lysabsorberende molekyler laver Baldo belægninger, der absorberer én farve, men udsender en anden. Det udsendte lys genabsorberes ikke hurtigt af belægningerne, så mere af det når glaspladens kanter.

Belægningerne, som Goffri laver, absorberer ultraviolet lys gennem grønt lys og udsender orange lys. Når Goffri har forberedt den endelige blanding, hælder han en lille mængde på en 10 centimeter bred glasfirkant – den største, der kan passe inde i en enhed, der drejer glasset med 2.000 omdrejninger i minuttet for at sprede blækket jævnt. Inden for et minut eller to er opløsningsmidlet fordampet, og processen er afsluttet. Solvarmekoncentratoren med sin belægning af orange farvestof er færdig.

Prototypen
For at generere elektricitet forbinder Goffri solcellekoncentratoren til solceller. Han laver det, der kaldes et tandem solcellemodul, en type solpanel, der bruger to forskellige slags celler til at fange mere af energien i sollys, end en enkelt slags kunne. Forskellige bølgelængder af sollys har forskellige mængder energi; ultraviolet lys har mest og infrarødt mindst. Solceller er optimeret til bestemte farver. En designet til at omdanne infrarødt lys til elektricitet, vil for eksempel omdanne det meste af energien i blåt lys til spildvarme. Ligeledes vil rødt lys passere gennem en solcelle optimeret til højenergi blåt lys uden at blive absorberet. Ideelt set ville solceller til forskellige bølgelængder blive brugt i kombination for at indsamle mest sollys, men denne tilgang er ofte for dyr til at være praktisk.

Baldos koncentratorer tilbyder en billig måde at kombinere solceller, der er optimeret til forskellige bølgelængder af lys: forskellige farvede belægninger kan parres med forskellige typer solceller i den samme enhed. For at lave en prototype tager Goffri en type solcelle, der er velegnet til højenergifarver og limer den fast på indersiden af ​​en plastikramme; så skubber han koncentratoren ind i rammen, så dens kanter flugter med cellerne. Koncentratoren fanger ultraviolet, blåt og grønt lys og udsender orange lys, som cellerne omdanner til elektricitet. Lyset med lavere energi, fra den røde og infrarøde ende af spektret, passerer gennem solkoncentratoren til det næste lag. I prototypen er det næste lag en konventionel siliciumsolcelle i fuld størrelse, der ikke er parret med en solcellekoncentrator.

Prototypen, siger Baldo, kan omdanne næsten dobbelt så meget energi fra sollys til elektricitet, som en konventionel celle kan, forudsat at koncentratoren er cirka 30 centimeter i kvadrat. Dette svarer til et fald på 30 procent i prisen på solenergi.

I fremtiden kan omkostningsbesparelserne blive meget større, mener Baldo. Han bruger ikke en koncentrator til det infrarøde lys, fordi der indtil videre ikke eksisterer nogen gode farvestoffer til at fange disse bølgelængder. Men han er overbevist om, at sådanne farvestoffer kan udvikles. Når det sker, vil han være i stand til at tilføje en anden koncentrator, for små meromkostninger, og erstatte siliciumsolcellen i fuld størrelse med mindre, billigere celler fastgjort til koncentratorens kanter. Hvis prisen på solcelleanlæg falder i løbet af de næste mange år, som forventet, kan dette setup gøre solenergi omtrent lige så billig som el fra kul, siger han.

Der er mere arbejde at gøre i laboratoriet, såsom at forbedre rækken af ​​farver, som koncentratorerne kan absorbere, hvilket vil gøre det muligt at skræddersy dem til specifikke udsnit af spektret. Men Baldo siger, at det er på tide at begynde at flytte teknologien ud af laboratoriet og ud på markedet. Han og hans kolleger har stiftet et firma ved navn Covalent Solar, som begynder at samle penge ind. Virksomheden, der er baseret i Cambridge, MA, planlægger at have sine første produkter - formentlig tandem solcellemoduler - tilgængelige inden for tre år.

Kevin Bullis er Teknologigennemgang 's energiredaktør.

skjule