MIT denkt dat ze de 'perfecte' zonnecel hebben gevonden

Een  nieuw onderzoek van MIT biedt een uitkomst voor het grootste probleem van het gebruik van zonne-energie: de efficiëntie. Op het moment wordt veel van het beschikbare zonlicht verspild, maar de onderzoekers lijken een manier gevonden te hebben om het meeste eruit te halen. De oplossing lijkt een nieuw materiaal te zijn dat de extreem hoge temperaturen kan weerstaan die nodig zijn voor maximale conversie.

Conventionele zonnecellen, vellen gemaakt van siliconen die nu gebruikt worden voor de meeste commerciële toepassingen, zijn verre van ideaal. Licht van de zon komt in veel verschillende vormen op aarde aan. Deze vormen – oftewel golflengtes – bevatten het zichtbare licht dat onze wereld vormt, maar ook onzichtbare golflengtes zoals ultraviolet of infrarood licht. Zonnecellen maken op het moment meestal alleen gebruik van het zichtbare gedeelte.

Dat is natuurlijk niet meer dan logisch, omdat zichtbaar licht de meest intense vorm van licht is die het aardoppervlak bereikt. Veel andere vormen, zoals microgolven en röntgenstraling, worden door de atmosfeer gefilterd, maar het volledige spectrum dat de aarde bereikt is veel breder dan de zogenaamde "band gap" die zonnecellen gebruiken.

De band gap is een karakteristiek van fotovoltaïsche zonnecellen. Fotonen (ook wel licht genoemd), zijn dragers van elektromagnetische kracht en botsen met atomen in een bepaald materiaal. De botsing geeft die atomen wat extra kracht, die ze af laten vloeien in elektronen. Al deze elektronen tellen bij elkaar op en leveren een stroom – elektriciteit. Het is een slimme manier om energie te oogsten, maar verre van perfect.

Het is niet erg praktisch om materialen te bouwen die fotonen van alle verschillende energieën kunnen "oogsten." Het is geen generieke interactie – niet elk foton zorgt voor afgestoten elektronen van elk materiaal. In andere woorden: het materiaal werkt alleen voor fotonen van bepaalde golflengtes, en de rest wordt afgestaan als warmte in plaats van elektrische stroom.

We zouden verschillende zonnematerialen op kunnen stapelen, waarbij elke laag op een ander soort foton reageert, maar dat wordt snel te duur. De band gap is gewoon een fundamenteel limiet.

Image: stanford.edu

Er zijn echter andere manieren dan het fotovoltaïsche-effect om fotonen te oogsten, en dat is precies waar het nieuwe MIT-idee op rekent. Het wordt s olar-thermophotovoltaics genoemd en lijkt veelbelovend. In plaats van zonne-energie direct in stroom te veranderen, zetten ze alle energie om in hitte.

Thermophotovoltaics maakt gebruik van het alledaagse fenomeen van thermische straling. Elk materiaal dat boven het absolute nulpunt verhit wordt straalt een beetje, omdat er in alles boven die temperatuur een klein beetje stroom gaat lopen door de toegenomen energie van de deeltjes waar het uit bestaat. In simpelere woorden: als je elektronen verhit, beginnen ze fotonen los te laten als straling.

Het coole aan een thermofotovoltaïsch element is dat het een hoop verschillende golflengtes licht kan omzetten in slechts eentje, die dan weer door een standaard fotovoltaïsch element in stroom kan worden omgezet. Zie de bovenstaande illustratie.

Het probleem met thermophotovoltaïcs is dat er voor efficiëntie ook zonneconcentratoren – grote spiegels die het zonlicht op één plek focussen – nodig zijn. Dat is prima, maar die concentratie resulteert in een hoop hitte. Tot er een materiaal gemaakt wordt die die hitte kan weerstaan, kunnen thermofotovoltaïsche apparaten niet concurreren met standaard fotovoltaïsche cellen.

Het MIT-team, dat geleid wordt door onderzoeker Jeffrey Chou, presenteert een nieuw "tweedimensionaal metaalachtig di-elektrisch fotonisch kristal" als oplossing. Hun kristal kan zowel licht van een hoop verschillende golflengtes absorberen, als temperaturen tot 1000 ºC weerstaan.

Het resultaat is grootschalige, goedkope en efficiënte conversie van zonne-energie

Om de maximale efficiëntie te bereiken, moet een thermofotovoltaïsch materiaal zo veel mogelijk zonne-energie opvangen en vasthouden. Dit betekent dat er een zeer nauwkeurig spectrum moet zijn van zonne-absorptie en thermische fotonen-emissie.

Je zou dit kunnen vergelijken met een regenwaterverzamelaar die gebruikt wordt om een tuin water te geven. Als de afvloeiing te groot of the klein is, dan raakt de emmer of leeg, waardoor de tuin geen water krijgt, of hij overvloeit waardoor er water verspild wordt. Zo is het ook een beetje met het fotothermovoltaïsche materiaal.

Natuurlijk is het bouwen van een waterverzamelaar niet een kwestie van wat plastic en pijpen. Het vinden van een materiaal dat al het bovenstaande kan doen en ook nog goedkoop geproduceerd kan worden is tot nu toe moeilijk gebleken.

"Dit is de eerste keer dat er een dergelijk materiaal gemaakt kan worden met methodes die gebaseerd zijn op huidige technieken," vertelde Chou in  een verklaring van MIT, "wat betekent dat het mogelijk is om te bouwen op de schaal siliconenvellen."

Bijna alle metalen die de hoge temperaturen kunnen weerstaan werken, maar de sleutel tot succes is hoe het materiaal gefabriceerd is. Het geheim van Chou en zijn team zit 'm in het aanbrengen van hele kleine gaatjes in het thermofotovoltaïsche materiaal, die vervolgens gevuld worden met een makkelijk te polariseren materiaal. De nanogaatjes maken het heel makkelijk om de emissie en absorptie van het materiaal af te stemmen.

Het resultaat, dat net  gepubliceerd is in het journal Advanced Materials, is "grootschalige, goedkope en efficiënte conversie van zonne-energie." Chou schat dat het materiaal binnen vijf jaar commercieel verkrijgbaar is.