Den energigenererande potentialen hos solpaneler – och en viktig begränsning av deras användning – är ett resultat av vad de är gjorda av. Paneler gjorda av kisel sjunker i pris så att de på vissa platser kan ge el som kostar ungefär lika mycket som kraft från fossila bränslen som kol och naturgas. Men kiselsolpaneler är också skrymmande, stel och spröd, så de kan inte användas var som helst.

I många delar av världen som inte har vanlig el, solpaneler kan ge läsljus efter mörkrets inbrott och energi för att pumpa dricksvatten, hjälpa till att driva små hushålls- eller bybaserade företag eller till och med betjäna nödbostäder och flyktingläger. Men den mekaniska bräckligheten, tyngd och transportsvårigheter för kiselsolpaneler tyder på att kisel kanske inte är idealiskt.

Att bygga på andras arbete, min forskargrupp arbetar med att utveckla flexibla solpaneler, som skulle vara lika effektiv som en silikonpanel, men skulle vara smal, lätt och böjbar. Den här typen av anordning, som vi kallar en "soltarp, "kan spridas ut till storleken av ett rum och generera elektricitet från solen, och den kunde bollas till att vara lika stor som en grapefrukt och stoppas i en ryggsäck så många som 1, 000 gånger utan att gå sönder. Även om det har gjorts en del ansträngningar för att göra organiska solceller mer flexibla genom att helt enkelt göra dem ultratunna, verklig hållbarhet kräver en molekylstruktur som gör solpanelerna töjbara och sega.

Kiselhalvledare

Kisel kommer från sand, vilket gör det billigt. Och hur dess atomer packas i ett fast material gör den till en bra halvledare, vilket innebär att dess ledningsförmåga kan slås på och av med hjälp av elektriska fält eller ljus. Eftersom det är billigt och användbart, kisel är grunden för mikrochips och kretskort i datorer, mobiltelefoner och i princip all annan elektronik, sändning av elektriska signaler från en komponent till en annan. Kisel är också nyckeln till de flesta solpaneler, eftersom det kan omvandla energin från ljus till positiva och negativa laddningar. Dessa laddningar flödar till motsatta sidor av en solcell och kan användas som ett batteri.

Men dess kemiska egenskaper gör också att den inte kan förvandlas till flexibel elektronik. Kisel absorberar inte ljus särskilt effektivt. Fotoner kan passera rakt igenom en kiselpanel som är för tunn, så de måste vara ganska tjocka – runt 100 mikrometer, ungefär lika tjock som en dollarsedel – så att inget av ljuset går till spillo.

Nästa generations halvledare

Men forskare har hittat andra halvledare som är mycket bättre på att absorbera ljus. En grupp av material, kallas "perovskites, "kan användas för att göra solceller som är nästan lika effektiva som kiselceller, men med ljusabsorberande lager som är en tusendel av tjockleken som behövs med kisel. Som ett resultat, forskare arbetar med att bygga perovskitsolceller som kan driva små obemannade flygplan och andra enheter där viktminskning är en nyckelfaktor.

Nobelpriset i kemi 2000 tilldelades de forskare som först fann att de kunde göra en annan typ av ultratunna halvledare, kallas en halvledande polymer. Denna typ av material kallas en "organisk halvledare" eftersom den är baserad på kol, och den kallas en "polymer" eftersom den består av långa kedjor av organiska molekyler. Organiska halvledare används redan kommersiellt, inklusive i miljard-dollarindustrin av organiska lysdiodskärmar, mer känd som OLED-TV.

Polymerhalvledare är inte lika effektiva för att omvandla solljus till elektricitet som perovskiter eller kisel, men de är mycket mer flexibla och potentiellt utomordentligt hållbara. Vanliga polymerer – inte de halvledande – finns överallt i det dagliga livet; de är molekylerna som utgör tyg, plast och färg. Polymerhalvledare har potentialen att kombinera de elektroniska egenskaperna hos material som kisel med plastens fysiska egenskaper.

Det bästa av två världar:Effektivitet och hållbarhet

Beroende på deras struktur, plast har ett brett utbud av egenskaper – inklusive både flexibilitet, som med en presenning; och stelhet, som karosspanelerna på vissa bilar. Halvledande polymerer har stela molekylära strukturer, och många är sammansatta av små kristaller. Dessa är nyckeln till deras elektroniska egenskaper men tenderar att göra dem spröda, vilket inte är ett önskvärt attribut för varken flexibla eller stela föremål.

Min grupps arbete har varit fokuserat på att identifiera sätt att skapa material med både goda halvledande egenskaper och den hållbarhet plaster är kända för – vare sig de är flexibla eller inte. Detta kommer att vara nyckeln till min idé om en soltarp eller filt, men kan också leda till takmaterial, golvplattor utomhus eller kanske till och med ytorna på vägar eller parkeringsplatser.

Detta arbete kommer att vara nyckeln till att utnyttja kraften i solljus – eftersom, trots allt, solljuset som träffar jorden på en enda timme innehåller mer energi än vad hela mänskligheten använder på ett år.

Denna artikel publicerades ursprungligen på The Conversation. Läs originalartikeln.