Att intensifiera solen

I sitt mörka labb vid MIT lyser Marc Baldo med en ultraviolett lampa på en 10-centimeters fyrkant av glas. Han har belagt glasets ytor med färgämnen som lyser svagt orange under ljuset. Ändå lyser glasets obelagda kanter starkare – fyra snygga, tunna remsor av självlysande orange.

Marc Baldo poserar med en samling glasskivor belagda med ljusavgivande organiska färgämnen. Färgämnena absorberar ljus och släpper tillbaka det i glaset, som kanaliserar det till kanterna på arken. Baldo använder enheterna för att koncentrera solljus, vilket gör solenergi billigare.

Glasskivan är en ny sorts solkoncentrator, en enhet som samlar diffust ljus och fokuserar det på en relativt liten solcell. Solceller, flerskiktiga elektroniska enheter gjorda av högraffinerat kisel, är dyra att tillverka, och ju större de är, desto mer kostar de. Solenergikoncentratorer kan sänka den totala kostnaden för solenergi genom att göra det möjligt att använda mycket mindre celler. Men koncentratorerna är vanligtvis gjorda av böjda speglar eller linser, som är skrymmande och kräver kostsamma mekaniska system som hjälper dem att spåra solen.

Den här historien var en del av vårt septembernummer 2008

• Se resten av frågan
• Prenumerera

Till skillnad från speglarna och linserna i konventionella solenergikoncentratorer fungerar Baldos glasskivor som vågledare och kanaliserar ljus på samma sätt som fiberoptiska kablar sänder optiska signaler över långa avstånd. Färgämnena som täcker glasets ytor absorberar solljus; olika färgämnen kan användas för att absorbera olika våglängder av ljus. Sedan återger färgämnena ljuset in i glaset, som kanaliserar det till kanterna. Solcellsremsor fästa i kanterna absorberar ljuset och genererar elektricitet. Ju större ytan på glaset jämfört med tjockleken på kanterna, desto mer koncentreras ljuset och, till en viss grad, desto mindre blir energikostnaderna.

Baldo, en docent i elektroteknik, publicerade nyligen sina resultat i Vetenskap . På grundval av dem räknar han med att hans solkraftverk kan göras tillräckligt stora för att den el de hjälper till att generera för att konkurrera med el från fossila bränslen. Faktiskt, säger Baldo, kan paneler utrustade med koncentratorer vara den billigaste soltekniken.

Multimedia

• Se hur solenergikoncentratorn fungerar.

Hemlig ingrediens
Processen för att tillverka Baldos solkoncentratorer börjar i korridoren i ett annat labb. En postdoktor, Shalom Goffri, tar flera flaskor fyllda med färgglada färgpulver från ett skåp och mäter upp pulvren i små flaskor. Några av färgämnena utvecklades för användning i billacker; andra har använts i organiska lysdioder. Båda typerna av färgämnen kan hålla i flera år i solen, en kvalitet som är nödvändig för solenergikoncentratorer. När han har mätt ut pulvren, tillsätter Goffri ett lösningsmedel till varje för att göra ett flytande bläck.

Nästa steg sker i en förseglad låda, så att Goffri inte andas in lösningsmedlen som används för att tillverka färgen. Han sträcker sig in i lådan med tjocka svarta handskar monterade i glasfronten och blandar försiktigt ihop olika bläck. Att bestämma rätt kombination av bläck löste ett grundläggande problem som forskare har stött på med den här typen av solkoncentratorer. Om glasskivan är belagd med ett färgämne som absorberar solljus i t.ex. det grön-till-blå området av solspektrumet och avger ljus med samma våglängd, kommer det emitterade ljuset snabbt att återupptas av färgen, och lite av det någonsin kommer att nå kanten av glaset. Problemet har begränsat storleken på dessa solkoncentratorer, eftersom ju längre ljuset behöver för att färdas till kanterna, desto mindre av ljuset kommer att göra det.

Genom att använda vissa kombinationer av färgämnen varvat med andra ljusabsorberande molekyler gör Baldo beläggningar som absorberar en färg men avger en annan. Det utsända ljuset absorberas inte snabbt av beläggningarna, så mer av det når kanterna på glasskivan.

Beläggningarna som Goffri gör absorberar ultraviolett ljus genom grönt ljus och avger orange ljus. När Goffri har förberett den slutliga blandningen häller han en liten mängd på en 10 centimeter bred glasruta – den största som får plats inuti en enhet som snurrar glaset i 2 000 varv per minut för att sprida bläcket jämnt. Inom en minut eller två har lösningsmedlet avdunstat och processen är avslutad. Solkoncentratorn, med sin beläggning av orange färgämne, är komplett.

Prototypen
För att generera el kopplar Goffri solkoncentratorn till solceller. Han tillverkar vad som kallas en tandem solcellsmodul, en typ av solpanel som använder två olika sorters celler för att fånga upp mer av energin i solljus än vad en enda sort skulle kunna. Olika våglängder av solljus har olika mängder energi; ultraviolett ljus har mest och infrarött minst. Solceller är optimerade för speciella färger. En designad för att omvandla infrarött ljus till elektricitet, till exempel, kommer att omvandla det mesta av energin i blått ljus till spillvärme. Likaså kommer rött ljus att passera genom en solcell optimerad för högenergiblått ljus utan att absorberas. Helst skulle solceller för olika våglängder användas i kombination för att samla in mest solljus, men detta tillvägagångssätt är ofta för dyrt för att vara praktiskt.

Baldos koncentratorer erbjuder ett billigt sätt att kombinera solceller optimerade för olika våglängder av ljus: olika färgade beläggningar kan paras ihop med olika typer av solceller i samma enhet. För att göra en prototyp tar Goffri en typ av solcell väl lämpad för högenergifärger och limmar fast den på insidan av en plastram; sedan skjuter han in koncentratorn i ramen så att dess kanter är i linje med cellerna. Koncentratorn fångar ultraviolett, blått och grönt ljus och avger orange ljus som cellerna omvandlar till elektricitet. Ljuset med lägre energi, från den röda och infraröda änden av spektrumet, passerar genom solkoncentratorn till nästa lager. I prototypen är nästa lager en vanlig kiselsolcell i full storlek som inte är ihopkopplad med en solkoncentrator.

Prototypen, säger Baldo, kan omvandla nästan dubbelt så mycket energi från solljus till elektricitet som en konventionell cell kan, förutsatt att koncentratorn är ungefär 30 centimeter i kvadrat. Detta översätts till en 30-procentig minskning av kostnaden för solel.

I framtiden kan kostnadsbesparingarna bli mycket högre, tror Baldo. Han använder inte en koncentrator för det infraröda ljuset eftersom det hittills inte finns några bra färgämnen för att fånga dessa våglängder. Men han är säker på att sådana färgämnen kan utvecklas. När det händer kommer han att kunna lägga till en andra koncentrator, för liten extra kostnad, och ersätta den fullstora kiselsolcellen med mindre, billigare celler fästa på koncentratorernas kanter. Om kostnaden för solceller sjunker under de kommande åren, som förväntat, kan den här installationen göra solenergi ungefär lika billig som el från kol, säger han.

Det finns mer arbete att göra i labbet, som att förbättra utbudet av färger som koncentratorerna kan absorbera, vilket gör det möjligt att skräddarsy dem till specifika delar av spektrumet. Men Baldo säger att det är dags att börja flytta tekniken ut från labbet och in på marknaden. Han och hans kollegor har grundat ett företag som heter Covalent Solar, som börjar samla in pengar. Företaget, baserat i Cambridge, MA, planerar att ha sina första produkter – troligen tandem solcellsmoduler – tillgängliga inom tre år.

Kevin Bullis är Teknikgranskning energiredaktör.

Dölj