Science in the News

door Emily Kerr
cijfers door Abagail Burrus

de zon straalt per seconde genoeg energie uit naar de aarde om gedurende meer dan twee uur aan de totale menselijke energiebehoefte te voldoen. Aangezien zonne-energie gemakkelijk beschikbaar en duurzaam is, is zonne-energie een aantrekkelijke energiebron. Echter, vanaf 2018, minder dan twee procent van de energie van de wereld kwam uit zonne-energie. Historisch gezien is zonne-energiewinning duur en relatief inefficiënt geweest. Zelfs dit schamele zonnegebruik is echter een verbetering in de afgelopen twee decennia, aangezien de hoeveelheid energie die wereldwijd uit zonne-energie wordt verzameld van 2000 tot 2019 meer dan 300 keer is toegenomen. Nieuwe technologische ontwikkelingen in de afgelopen twintig jaar hebben deze toegenomen afhankelijkheid van zonne-energie gedreven door dalende kosten, en nieuwe technologische ontwikkelingen beloven dit zonne-gebruik te vergroten door verdere kosten te verlagen en de efficiëntie van zonnepanelen te verhogen.

Zonnecellen: Kosten, uitdagingen en ontwerp

in de afgelopen 20 jaar zijn de kosten in verband met zonnecellen, de structuren die lichtenergie in elektriciteit kunnen omzetten, gestaag gedaald. Het National Renewable Energy Laboratory, een laboratorium van de Amerikaanse overheid dat zonneceltechnologie bestudeert, schat dat het bijdraagt aan de toenemende betaalbaarheid van zonne-energie. Ze schatten dat de harde kosten, de kosten van de fysieke zonnecel hardware, en de zachte kosten, waaronder arbeid of kosten voor het verkrijgen van de vereiste overheid vergunningen, zijn ongeveer gelijk (figuur 1). Zachte kosten zijn gedaald omdat er meer potentiële consumenten en meer installatiedeskundigen voor nieuwe zonnecellen zijn, zodat bedrijven zonnecellen in bulk kunnen produceren en eenvoudig kunnen installeren. Harde kosten zijn minder dan de helft van wat ze waren in het jaar 2000, voornamelijk als gevolg van dalende materiaalkosten en een toegenomen vermogen van cellen om licht op te vangen. Het ontwerpen van meer kosteneffectieve en efficiënte zonnecellen vereist een zorgvuldige overweging van de fysica die betrokken zijn bij Zonne-capture naast innovatief ontwerp.

omdat zonnecellen worden gebruikt om licht om te zetten in elektriciteit, moeten ze bestaan uit materiaal dat goed is in het opvangen van energie uit licht. Dit materiaal kan worden ingeklemd tussen twee metalen platen die de elektriciteit die wordt opgevangen uit lichtenergie dragen naar waar het nodig is, zoals de lichten van een huis of machines van een fabriek (Figuur 2). Bij het kiezen van het juiste materiaal om licht op te vangen, wordt het verschil gemeten tussen twee energieniveaus die de valentieband en de geleidingsband worden genoemd. De valentieband met lagere energie is gevuld met vele kleine negatief geladen deeltjes die elektronen worden genoemd, maar de geleidingsband met hogere energie is meestal leeg. Wanneer elektronen worden geraakt door lichtdeeltjes, fotonen genaamd, kunnen ze genoeg energie absorberen om van de lage-energetische geleidingsband naar de hoge-energetische valentieband te springen. Eenmaal in de valentieband, kan de extra energie in het elektron worden geoogst als elektriciteit. Het is alsof de elektronen onderaan een heuvel zitten (de geleidingsband) en geraakt worden door een foton dat hen de energie geeft om naar de top te springen (de valanceband).

de hoeveelheid energie die elektronen nodig hebben om in de valentieband te springen, hangt af van het type materiaal. In wezen is de grootte van de metaforische heuvel afhankelijk van de eigenschappen van een bepaald materiaal. De omvang van deze energiekloof is belangrijk omdat het van invloed is op hoe efficiënt zonnecellen licht omzetten in elektriciteit. In het bijzonder, als fotonen de elektronen raken met minder energie dan het elektron nodig heeft om van de valentieband naar de geleidingsband te springen, wordt geen van de energie van het licht opgevangen. Alternatief, als het licht meer energie heeft dan nodig is om die kloof te overwinnen, dan vangt het elektron de precieze energie die het nodig heeft en verspilt de rest. Beide scenario ‘ s leiden tot inefficiënties bij het oogsten van zonnecellen, waardoor de keuze van zonnecelmateriaal een belangrijke is.Van oudsher is silicium het populairste materiaal voor zonnecellen (Figuur 2). Een reden voor deze populariteit ligt in de grootte van de kloof tussen silicium geleiding en valentie banden, als de energie van de meeste lichtdeeltjes is zeer dicht bij de energie die silicium elektronen nodig hebben om de energie kloof te springen. Theoretisch kan ongeveer 32% van de lichtenergie worden omgezet in elektrische energie met een silicium zonnecel. Dit lijkt misschien niet veel, maar het is aanzienlijk efficiënter dan de meeste andere materialen. Bovendien is silicium ook goedkoop. Het is een van de meest voorkomende elementen op aarde, en de kosten van raffinage is dramatisch gedaald sinds 1980. De zonnecel-en elektronica-industrie hebben geleid tot de daling van de zuiveringskosten omdat ze betere bulkzuiveringstechnieken hebben geleerd om de vraag naar zonnecellen en consumentenelektronica te stimuleren.

naast het verlagen van de materiaalkosten, brengen slimme technische trucs de efficiëntie van silicium zonnecellen dichter bij hun theoretische maximum. Om fotonen om te zetten in energie, moeten ze eerst botsen met een elektron. Een truc om de waarschijnlijkheid van een foton/elektron botsing te verhogen omvat het patroon van het silicium in zonnecellen in microscopische piramidevormen. Wanneer licht wordt geabsorbeerd in een piramide, reist het verder, waardoor de kans dat het licht zal botsen met de elektronen in het silicium voordat ontsnappen aan de cel.

in een soortgelijke tactiek hebben chemici en materiaalwetenschappers anti-reflecterende coatings ontworpen om aan de voorkant van zonnecellen te worden aangebracht om te voorkomen dat nuttig licht terug de ruimte in wordt gereflecteerd zonder ooit een elektron in de zonnecel te raken. Door een reflector op de achterkant van de zonnecel te plaatsen, kan ook meer licht worden opgevangen. Het licht dat de zonnecel bereikt en helemaal naar achteren gaat zonder een elektron te raken, wordt naar de voorkant van de cel gestuurd, waardoor de cel nog een kans krijgt om het licht te verzamelen.

momenteel blijven de kosten van op silicium gebaseerde zonnecellen dalen, en ondanks voorspellingen van het tegendeel blijven de kosten van silicium zelf dalen. Silicium zonnecellen zullen de komende jaren waarschijnlijk populair blijven. Alternatieven voor silicium zonnecellen zijn ontwikkeld, maar zijn niet ver genoeg om commercieel levensvatbaar te zijn.

de toekomst van zonnecellen

om de huidige zonnecellen te overtreffen, moet een nieuw ontwerp in staat zijn meer licht op te vangen, lichtenergie efficiënter om te zetten in elektriciteit en/of goedkoper te bouwen dan de huidige ontwerpen. Energieproducenten en consumenten hebben meer kans om zonne-energie te gebruiken als de energie die het produceert even duur of goedkoper is dan andere, vaak niet-hernieuwbare, vormen van elektriciteit, dus elke verbetering van de huidige zonnecel ontwerpen moet leiden tot lagere totale kosten om op grote schaal te worden gebruikt.

de eerste optie, het toevoegen van hardware waarmee de zonnecellen meer licht kunnen opvangen, vereist niet dat we de huidige zonnecelontwerpen opgeven. Elektronica kan worden geà nstalleerd met de zonnecel die de cel de zon laat volgen terwijl hij door de daghemel beweegt. Als de zonnecel altijd naar de zon wijst, zal hij door veel meer fotonen worden geraakt dan wanneer hij alleen rond het middaguur naar de zon wijst. Op dit moment is het ontwerpen van elektronica die de positie van de zon nauwkeurig en consistent kan volgen voor meerdere decennia tegen een redelijke prijs een voortdurende uitdaging, maar innovatie op dit gebied gaat door. Een alternatief voor het laten bewegen van de zonnecel is het gebruik van spiegels om licht te richten op een kleinere, en dus goedkopere zonnecel.

een andere manier om de prestaties van zonnecellen te verbeteren is hun efficiëntie zodanig te richten dat ze beter energie in zonlicht omzetten in elektriciteit. Zonnecellen met meer dan één laag lichtvast materiaal kunnen meer fotonen vastleggen dan zonnecellen met slechts één laag. Onlangs kunnen in het laboratorium geteste zonnecellen met vier lagen 46% van de binnenkomende lichtenergie opvangen die hen raakt. Deze cellen zijn nog steeds meestal te duur en moeilijk te maken voor commercieel gebruik, maar lopend onderzoek kan op een dag maken de uitvoering van deze super-efficiënte cellen mogelijk.

het alternatief voor het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen is simpelweg het verlagen van de kosten. Hoewel de verwerking van silicium de afgelopen decennia goedkoper is geworden, draagt het nog steeds aanzienlijk bij aan de kosten van de installatie van zonnecellen. Door het gebruik van dunnere zonnecellen dalen de materiaalkosten. Deze “dunne-film zonnecellen” gebruiken een laag materiaal om lichtenergie te oogsten die slechts 2 tot 8 micrometer dik is, slechts ongeveer 1% van wat wordt gebruikt om een traditionele zonnecel te maken. Net als cellen met meerdere lagen, zijn dunne-film zonnecellen een beetje lastig te produceren, wat hun toepassing beperkt, maar onderzoek is aan de gang.

in de nabije toekomst zullen de kosten van zonnecellen van silicium waarschijnlijk blijven dalen en in grote aantallen worden geïnstalleerd. In de Verenigde Staten zullen deze kostendalingen naar verwachting de geproduceerde zonne-energie tegen 2050 met ten minste 700% doen toenemen. Ondertussen zal het onderzoek naar alternatieve ontwerpen voor efficiëntere en goedkopere zonnecellen worden voortgezet. Over jaren zullen we waarschijnlijk alternatieven voor silicium zien verschijnen op onze zonneparken en daken, die helpen om schone en hernieuwbare energiebronnen te leveren. Deze verbeteringen zijn en zullen mogelijk blijven door het vergroten van de bulkproductie van zonnecellen en nieuwe technologieën die de cellen goedkoper en efficiënter maken.

Emily Kerr, doctoraalstudent scheikunde en Chemische Biologie.Abagail Burrus is een derdejaars promovendus op het gebied van organische en evolutionaire biologie, die de ontwikkeling van elaioforen bestudeert.

voor meer informatie:

• voor meer informatie over dunne-film zonnecellen, Bekijk dit artikel van MIT News
• voor meer informatie over de dalende kosten van zonnecellen, zie dit artikel van MIT News
• voor een grafische weergave van hoe zonnepanelen werken, Bekijk dit artikel over de samenstelling en wetenschap van zonnepanelen

dit artikel maakt deel uit van onze SITN20-serie, geschreven om de 20ste verjaardag van SITN te vieren door de meest opmerkelijke wetenschappelijke vooruitgang te herdenken van de laatste twee decennia. Bekijk onze andere SITN20 stukken!