利用太阳光作为清洁能源来源

很多人生活在地球上。这些人使用手机,电视,电脑,和许多其他的设备需要电力工作。最常见的发电方式是燃烧煤炭,天然气或石油。燃烧这些燃料是一个问题,因为它们燃烧时释放出气体如二氧化碳和甲烷。这些气体使地球变暖,创建其他环境问题。由于这个原因,许多国家希望创建清洁能源发电,像阳光1]。要做到这一点,我们需要太阳能电池板。典型的太阳能板是由一个叫做硅材料,它可以捕捉阳光。硅是昂贵的,所以很难把许多贫穷国家的太阳能电池板。同时,硅不让光通过它,所以硅太阳能电池板不能用于windows,因为他们会隐藏你的美丽的视图(图1一个)。

幸运的是,还有许多其他的化学物质(称为着色剂),可以捕获阳光。当这些有色物质包括碳原子,我们称之为有机着色剂。你可以找到一些有机着色剂。例如,叶绿素是着色剂,使绿色植物,和β-carotene着色剂使胡萝卜看起来橙色。我们使用天然或人工有机着色剂创建无色太阳能窗户。我们的太阳能窗口所示的结构图2。首先,我们做得非常薄床单1000倍比纸薄的有机着色剂(2,3]。我们称这些表活性层。我们必须至少两个着色剂混合成活性层如果我们想让他们改变太阳能转化为电能。我们另外两个表之间的三明治一个活动层,叫做电极,或释放电子或为活性层。电子小粒子产生电力,当他们从一个电极流向另一个。如果两个电极也透明,太阳能窗户是透明的(图1 b)。这些窗户发电不到一半的阳光撞到他们,而他们让其余的光通过,你仍然可以看到漂亮的风景通过太阳能窗户。

虽然这可能听起来像一个激动人心的突破,这些窗户有两大问题。首先,他们最终停止工作,因为空气中的氧气分解许多有机着色剂。第二,如果有机色素不捕获所有颜色的光线同样,视图通过windows橙色或红色。有可能使太阳能窗户,持续很长时间,不改变视图的颜色吗?这是在我们的研究中我们试图做什么。

太阳能窗户如何工作?

发电、小粒子称为电子必须从一个地方搬到另一处。这样的电子称为一个流程电流。电子有一个负电荷,所以他们通常发现原子粘牢固,因为粒子称为质子在原子有一个正电荷。正如你可能知道的,相反电荷相互吸引,而类似的电荷互相排斥。必须首先创建一个流的电力,电子从原子的束缚成为自由电子。敲门电子自由需要一个输入的能量。在我们的太阳能窗户,电子自由原子的着色剂,我们称它为着色剂,阳光的能量。一旦把自由电子,它们是由原子“偷走”其他的着色剂,我们将称之为着色剂B电子被着色剂B可以自由移动,因为着色剂B已经电子困坚定的质子在其原子。自由电子可以从一个电极流向另一个电极,产生电力。这是创建电力使用的基础有机太阳能窗户…但有一些你需要知道的更多细节。

阳光,像所有的光线,是由小颗粒光子。光子具有不同能量似乎我们的眼睛具有不同的颜色。例如,红光的光子能量小于蓝色或绿色光的光子。创建一个电流,能量的光子撞击原子着色剂必须强大到足以单独着色剂的电子的原子。如果光子没有足够的能量来碰触电子自由,没有帮助他们穿过窗口产生电流。

同时,正如我们前面所提到的,我们太阳能窗户的活跃层夹在附加层,称为电极。这些额外的层很重要,因为它们显示电子在哪个方向流动。电极的材料也是你将连接的电气设备,你想权力阳光。举个例子,如果你想为你的智能手机的充电电池,将电池的电极连接到太阳能窗口的电极。

我们如何能使无色太阳能窗户吗?

你知道太阳光是由许多不同的颜色吗?他们是你看到彩虹的颜色。三个主要的颜色是蓝色,绿色和红色(有些人说蓝色、黄色和红色,但是我们使用绿色科学)。请记住,颜色反映光子的能量水平。的一些阳光光子击中一个太阳能窗口将有足够的精力去把电子从着色剂原子,导致电流,但一些光子不会。如果他们没有足够的能量来碰触电子从原子,这些光子穿过窗口的光子被称为透射光,他们组成的光透过窗户可以让你看到!我们可以计算透射光的比例(T %)如下:

我们创建了太阳能窗户使用两个红色有机色素,然后擦红,蓝色,或绿色光在这些窗口确定T %为每个颜色的光。当我们测试太阳能窗户只有这两个红色着色剂,我们发现T %高出20%红光比蓝色和绿色的光。这是因为红色光子没有足够的能量自由电子的原子红色着色剂在活性层。额外的20%的红光穿过窗口变得闷闷不乐,使视图通过window-look红色。我们修改了活跃层包含第三个着色剂,可以有它被红色光子撞击释放的电子。通过这样做,我们能够作出积极层有T % 60%的所有三原色(图3一)。那些活跃层无色因为他们传输所有的光线,人类的眼睛可以看到同样的数量,这使得T %图看起来像一条水平线。

然而,即使有适当的混合三原色,实际T %对我们太阳能窗户大约是43%,因为电极层中的组件减少传播的光量。普通windows的T % 70%左右。这意味着我们的太阳能窗户会比正常的窗口(看起来有点暗图3 b),但优势是,他们可以将大约4%的阳光撞到成电!

太阳能窗户能使足够的电力吗?

当我们计算出电力使用或,我们使用一个单位叫做瓦(W),这是一个衡量电力。阳光的力量,我们收到超过1 m的一个领域²是1000 W。我们的太阳能窗户通常身高1.9米,宽1.3米,他们通常可以改变4%的太阳能转化为电能。让我们计算用多少电一个太阳能窗户可以:

窗口面积:1.9 x 1.3 = 1.9²(让我们这2.5 m²)

使用区域,由一个窗口接收到的太阳能就变成:2.5米²×1000 W / m²= 2500 W

因此,电力由一个窗口:2500 W×4% = 2500 W×0.04 = 100 W

平板电视使用大约90瓦的电力。你可以收取5 W的手机和平板电脑12 W。对于笔记本电脑,需要大约50 W。如果你有1电视,2笔记本电脑、平板电脑1和2的手机在你的房子,你需要:90 W + (2×50 W) + 12 W + (2×5 W) = 212 W。3太阳能窗户,你可以很容易地使用这些电子产品在同一时间!但是等等…如果你的微波炉使用500 W ?这意味着5 windows需要使其工作。我们可以制造500 W太阳能窗户吗?现在,很难让windows 500 W T %超过40%,意味着这些窗户会使你的观点很黑暗。我们现在测试新的色素,让windows 250 W T %的40%左右。 With only two of these windows, we could power a 500 W microwave!

大多数人通常使用微波5或10分钟每一天,所以有些时候我们太阳能窗户会比需要更多的电力。电池可以用于存储多余的电力供以后使用。如果我们使用太阳能窗户和电池一起,我们应该能够电力电子产品在我们的家庭。的电力储存在电池还可以用于电力电子在晚上,或者当没有阳光。

总结

使用活性层,含有三种色素,我们能够制造太阳能窗户传输大约40%的光通过它们不改变视图的颜色你看。这些窗户可以让约100 W和我们正致力于让更多的权力从一个窗口。有机太阳能窗户很便宜,不打扰你的观点,这意味着他们可以安装各地电力电气设备。随着我们的社会正在使用越来越多的电能,太阳能窗户将是一个关键技术,以确保我们能我们现代社会不会造成环境问题。

术语表

有机着色剂:↑由碳原子的一种化学物质,可以捕获阳光。着色剂给颜色的物品,例如食物,树叶,甚至你的皮肤。

活性层:↑捕获的薄板在太阳能窗户光转换成电能。

电极:↑一个金属板,用于捕捉或释放电子。

电子:↑小粒子,负的电荷。电子的运动从一个地方到另一个使电流(电)。

电流:↑电子从一个电极流向另一个使电能。

光子:↑光粒子。光子有不同能量不同的颜色。

透射光(T %):↑光的比例经过一些事情,像一个窗口。

的利益冲突

作者声明,这项研究是在没有进行任何商业或财务关系可能被视为一个潜在的利益冲突。

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原始的文章

↑佐野T。,Inaba年代。,Vohra, V。2019年。三元活跃层为中性色半透明有机太阳能电池与电脑超过4%。ACS达成。能源板牙。2:2534-40。doi: 10.1021 / acsaem.8b02144

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引用

[1]↑21世纪可再生能源政策网络(组织)。2019年。可再生能源2019年全球状态报告。网上:https://www.ren21.net/reports/global-status-report/

[2]↑Vohra, V。,Uchiyama, T., Inaba, S., and Okada-Shudo, Y. 2019. Efficient ultrathin organic solar cells with sustainable β-carotene as electron donor.ACS维持。化学。英格。7:4376 - 81。doi: 10.1021 / acssuschemeng.8b06255

[3]↑Inaba年代。,Arai, R., Mihai, G., Lazar, O., Moise, C., Enachescu, M., et al. 2019. Eco-friendly push-coated polymer solar cells with no active material wastes yield power conversion efficiencies over 5.5%.ACS达成。板牙。接口11:10785 - 93。doi: 10.1021 / acsami.8b22337