Zonne-energie stimuleren: Duke-onderzoekers onderzoeken manieren om panelen te verbeteren
Datum gepubliceerd:Waarom wordt zonne-energie niet op grotere schaal gebruikt? Fotovoltaïsche cellen wekken immers elektriciteit op uit zonlicht, een gratis en in wezen oneindige hulpbron.
Eén reden is dat de huidige fotovoltaïsche cellen relatief inefficiënt zijn. Ze geven slechts ongeveer een kwart van de energie af die ze van de zon opnemen. Als die efficiëntie zou kunnen worden verbeterd, zouden zonnepanelen minder onroerend goed in beslag kunnen nemen en tegelijkertijd meer elektriciteit kunnen oppompen.
“Uiteindelijk is efficiëntie de uitdaging bij zonne-energie”, zegt Adrienne Stiff-Roberts, PhD, de Jeffrey N. Vinik hoogleraar elektrische en computertechniek. “Als zonnecellen efficiënter zijn, dan is de technologie goedkoper [per eenheid geproduceerde elektriciteit] en dan heb je het over hernieuwbare energie als vervanging voor op koolstof gebaseerde energiebronnen.”
Bij Duke werken Stiff-Roberts en haar collega's aan nieuwe fotovoltaïsche technologie die op een dag meer energie uit zonlicht zou kunnen halen.
Eén manier om de efficiëntie van zonnecellen te vergroten is door hun chemische samenstelling te veranderen. De huidige zonnecellen gebruiken silicium, een anorganisch element dat lang meegaat, uitstekend elektrische ladingen transporteert en op bevredigende wijze lichtenergie absorbeert. Bepaalde organische moleculen daarentegen zijn uitstekend in het absorberen van lichtenergie, maar kunnen snel worden afgebroken in de aanwezigheid van vocht en zuurstof.
De voordelen van organische moleculen gaan verder dan hun lichtabsorberende eigenschappen. “Een organisch chemicus kan organische moleculen ontwerpen die allerlei functies hebben”, zegt Stiff-Roberts. “Ze kunnen flexibel zijn.”
Het combineren van anorganische en organische verbindingen in één zonnecel zou volgens Stiff-Roberts ‘het beste van twee werelden’ kunnen bieden. Maar werken met dit soort hybride materialen is niet eenvoudig.
Om te beginnen moet het hybride materiaal worden afgezet als een film van nanometers dik, die als halfgeleider fungeert. Dunnefilmhalfgeleiders zijn al alomtegenwoordig in apparaten die we dagelijks gebruiken, zoals mobiele telefoons, computers en televisies. Maar vaak zijn die halfgeleiders gemaakt van anorganische mineralen. De techniek waarmee ze in dunne films worden afgezet, werkt niet voor organische verbindingen.
Er zijn manieren om organische moleculen in een dunne film te deponeren, maar deze werken alleen voor kleine organische moleculen of ze worden uitgedaagd om meerdere lagen aan te brengen die nodig zijn voor zonnecellen.
Nu hebben Stiff-Roberts en haar team een techniek ontwikkeld en gedemonstreerd voor het deponeren van hybride materialen gemaakt van zowel anorganische als grote organische verbindingen. “Mijn groep heeft een nieuwe aanpak bijgedragen die fundamenteel verschilt van wat alle anderen deden”, zegt ze.
“Onze verklaring is heel zachtaardig. Het [organische molecuul] wordt zonder verandering van bron naar substraat overgebracht.”
Stiff-Roberts daagde traditionele processen uit door een emulsie te maken (denk aan olie en azijn) waarbij de organische moleculen als oliedruppels in water zweven. Dit beschermt de grote moleculen tegen breken tijdens de afzetting.
Onlangs ontving ze als BRITE Fellow $1 miljoen van de National Science Foundation om de haalbaarheid te onderzoeken van het opschalen van haar laboratoriumtechniek voor dunne-filmdepositie van hybride materialen, zodat deze commercieel levensvatbaar kan worden geproduceerd.
Een van de meest veelbelovende hybride materialen waar zonneonderzoekers naar streven is perovskiet, een natuurlijk voorkomend mineraal dat is gemanipuleerd om organische moleculen in zijn kristallijne structuur op te nemen. De organische moleculen zitten gevangen in het kristalrooster, zoals boter in de putjes van een wafel.
De efficiëntie van experimentele hybride perovskietzonnecellen is de afgelopen tien jaar met grote sprongen toegenomen en is veel sneller verbeterd dan conventionele en andere experimentele zonnetechnologieën. “Dat heeft allerlei soorten investeringen en onderzoek op dit gebied gestimuleerd”, zegt Stiff-Roberts, die al heeft aangetoond dat haar techniek werkt met hybride dunne-film-perovskieten.
Stiff-Roberts werkt nauw samen met collega-ingenieurs van Duke, waaronder theoreticus Volker Blum, universitair hoofddocent werktuigbouwkunde en materiaalkunde, en materiaalontwerper David Mitzi, de Simon Family hoogleraar werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de Duke University.
De drie maken deel uit van een nationaal centrum, gefinancierd door het ministerie van Energie en met hoofdkantoor in het National Renewable Energy Laboratory, dat de fundamentele eigenschappen van perovskieten en andere hybride materialen onderzoekt.
“Er is veel van deze materialen dat we niet begrijpen,” zegt Stiff-Roberts, “en als je het materiaal niet begrijpt, kun je het niet verbeteren of controleren om betere apparaten te maken.”
Het maken van een beter apparaat is echter slechts de eerste stap. Stiff-Roberts zegt dat de transitie van fossiele brandstoffen naar duurzame energie de betrokkenheid van meerdere disciplines zal vereisen – niet alleen wetenschap en techniek, maar alles van beleid tot economie. Ze merkt dat Duke-studenten en studenten met enthousiasme in deze problemen duiken, vaak in multidisciplinaire settings, zoals de campusbrede Bass Connections-teams of het Nicholas Institute for Energy, Environment, and Sustainability.
“Als je de problemen op het gebied van duurzame energie wilt oplossen”, zegt ze, “heeft dat allemaal met elkaar te maken. En Duke heeft expertise in al deze bredere aspecten. Dat is waar Duke iets unieks te bieden heeft.”
(C) Duke Universiteit
Originele artikelbron: WRAL TechWire