Drie keer zo veel energie uit een zonnecel

Share Button

Met een nieuw halfgeleidermateriaal denken onderzoekers de efficiency van een zonnecel uiteindelijk tot boven de vijftig procent te krijgen. Dit zou een radicaal einde maken aan de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen in Nederland en de rest van Europa in lente, zomer en herfst.

Zonnecellen te kieskeurig
Wat wij waarnemen als wit licht bestaat uit een mengsel van fotonen die overeen komen met de kleuren in de regenboog. ‘Rode’ fotonen (700 nm) bevatten het minste energie, ‘blauwe’ fotonen, rond de 400 nm, het meeste. Zonnecellen zijn net als planten nogal kieskeurig. Ze kunnen maar een beperkt deel van alle zonlicht verwerken. De reden is dat licht in energiepakketjes, de fotonen, is verdeeld. Bevat een foton meer energie dan een elektron nodig heeft om de energiesprong te maken die een zonnecel aftapt, dan wordt de rest gedumpt als warmte. Is de energie te laag, dan krijgen elektronen onvoldoende energie te laag om de sprong te maken. Het gevolg hiervan is dat de efficiency van zonnecellen nooit de theoretische waarde van 32% kan overschrijden. Wat dat betreft doen onze allerbeste (en heel erg dure) zonnecellen, die iets onder de dertig procent halen, het niet eens zo slecht. De allerbeste commerciële cellen halen nu overigens rond de twintig procent.

Vooral bij meerlagige zonnecellen schieten de rendementen de laatste jaren omhoog.

Vooral bij meerlagige zonnecellen -klik voor details- schieten de rendementen de laatste jaren omhoog.

Gelukkig is er een uitweg. Door meerdere lagen in de zonnecel in te bouwen is het mogelijk het rendement flink omhoog te tillen. Fotonen die niet door de eerste laag worden geabsorbeerd, worden door de tweede en derde laag geoogst. Er zijn begin 2011 experimentele zonnecellen ontwikkeld die tot 42,4% rendement halen. Helaas zijn de materialen die daarin worden gebruikt, waaronder het zeldzame metaal indium, zeldzamer dan bijvoorbeeld goud. Ook is het fabriceren erg lastig en kost dus extreem veel energie. Wel werkt nu een enorm aantal zeer begaafde onderzoekers over de hele wereld op dit terrein en schieten de rendementen de laatste jaren enorm omhoog.  Het wordt nu een race tegen de klok om op tijd voldoende zeer efficiënte zonnepanelen te kunnen ontwikkelen om peak oil af te wenden.

Galliumarsenide oogst zwakke fotonen
Met een nieuwe onderzoeksdoorbraak komt hieraan een einde. Het nieuwe materiaal is gebaseerd op een dun laagje galliumarsenide. Het dodelijk giftige arseen komt redelijk veel voor – vraag de plattelandsbewoners in Bangladesh maar waar arsenicumvergiftiging door het grondwater veel voorkomt. Gallium, een zacht metaal dat smelt in je hand,  is met ongeveer één deel op een miljoen zeldzamer maar komt in zeer kleine hoeveelheden in sintels van kolencentrales voor en kost ongeveer een euro per gram. Aan materiaalkosten zal het materiaal dus hooguit enkele tientallen euro’s per vierkante meter kosten.
In het materiaal worden sommige arsenicumatomen vervangen door stikstofatomen. Daardoor ontstaan gebiedjes waarin elektronen in staat zijn ook rode en infrarode fotonen te vangen. Door meerdere fotonen te absorberen krijgen ze voldoende energie om toch de sprong te kunnen maken. Hierdoor schiet het rendement omhoog.

In de praktijk nog niet gerealiseerd
Helaas is het rendement nog steeds laag. De reden is dat de elektronen te snel terugvallen in de grondstaat, waardoor ze niet op tijd een tweede foton kunnen absorberen om te kunnen ontsnappen. Dit probleem oplossen is erg lastig. Het gevolg is dat elektronen hun energie dumpen als afvalwarmte. Voorkom je dat elektronen terugvallen in de grondstaat (bijvoorbeeld door die te blokkeren), dan is dit probleem opgelost. Helaas is dat extreem lastig, maar theoretisch is het mogelijk.De onderzoekers proberen dit probleem nu op te lossen door het materiaal ook met fosfor te ‘dopen’.

De gevolgen
Stel dat betaalbare zonnecellen zouden worden ontwikkeld met een rendement van vijftig procent of meer, dan zouden Nederlandse huishoudens voor het grootste deel van het jaar volledig in hun eigen energiebehoefte kunnen voorzien. Zuid-Europeanen zouden zelfs het hele jaar voldoende energie hebben. Ook elektrisch vervoer zou realiteit worden, als de belangrijke bottleneck van elektrische energieopslag wordt overwonnen. Als er in Nederland overvloedig spotgoedkope energie beschikbaar komt, zal er een nieuw tijdperk van ongekende welvaart aanbreken. Deze keer permanent, zolang we de bevolking min of meer stabiel houden.

Bron
Technology Review

Share Button

Germen

Hoofdredacteur en analist (Visionair.nl) Expertise: biologische productiesystemen (master), natuurkunde (gedeeltelijek bachelor), informatica

Dit vind je misschien ook interessant:

2 reacties

  1. Bart schreef:

    ‘Deze keer permanent, zolang we de bevolking min of meer stabiel houden.’

    Dat is natuurlijk niet waar. Het aantal mensen zal stabiel blijven hier maar in de rest van de wereld niet. En al zou het voor de hele wereld stabiel blijven, door de toenemende welvaart zullen er steeds meer grondstoffen nodig zijn. Deze grondstoffen raken op een gegeven moment op. Alleen grondstoffen in de ruimte delven zal dit kunnen voorkomen.

  2. Douwe Beerda schreef:

    Wellicht leuk om even te noemen, in een cursus over permacultuur heb ik eens kort naast elkaar gezet wat de gemiddelde Nederlander aan energie gebruikt en wat de gemiddelde energie is die op een gemiddeld dak valt. Dan blijkt dat de aanwezige zonne-energie momenteel 3,5 keer meer is dan het verbruik. Met dit soort cellen is het energieprobleem dan idd zo opgelost. Al zullen we nog wat moeten balanceren natuurlijk tussen de seizoenen en dag en nacht. Voor de liefhebbers, de berekening is te vinden in de cursus Permacultuur in het huis: http://www.permacultuurnederland.org/permacultuurtk/permacultuur_in_huis_2.0.pdf

Geef een reactie

Advertisment ad adsense adlogger