Atoomdikke fotovoltaïsche vellen kunnen honderden keren meer vermogen per gewicht behuizen dan conventionele zonnecellen.
De meeste inspanningen ter verbetering van zonnecellen hebben zich vooral geconcentreerd op het verhogen van de efficiëntie van hun energie-conversie, of op het verlagen van de productiekosten.
MIT-onderzoekers openen een andere route voor verbetering.
Hun doel bestaat eruit om de dunste en lichtste zonnepanelen mogelijk te produceren.
Dergelijke panelen – die het potentieel hebben om in termen van geproduceerde energie per pond van materiële substantie alle andere te overtreffen (buiten reactorhoogwaardig uranium) – kunnen vervaardigd worden van gestapelde vellen van één-molecuul-dikke materialen zoals grafeen of molybdeen disulfide.
Hoewel wetenschappers de afgelopen jaren veel aandacht hebben besteed naar de mogelijkheden van tweedimensionale materialen zoals grafeen, zegt Jeffrey Grossman uit MIT, is er weinig onderzoek gedaan naar hun potentieel in zonne-energie toepassingen.
“Het blijkt dat ze niet alleen OK zijn, maar het is verbazingwekkend hoe goed ze het doen”, ging Grossman verder.
Met behulp van twee lagen van een dergelijk atoom dik materiaal, verklaarde hij, heeft zijn team zonnecellen met 1 tot 2 procent efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit voorspeld, Dat is laag in vergelijking met de 15 tot 20 procent rendement van de standaard silicium zonnecellen maar het is bereikt met materiaal dat duizenden keren dunner en lichter is dan vloeipapier.
De twee-laags zonnecel is slechts 1 nanometer dik, terwijl typische silicium zonnecellen honderdduizenden keren dikker kunnen worden als dat.
Het stapelen van meerdere van deze tweedimensionale lagen zou het rendement aanzienlijk verhogen.
“Stapelen van een paar lagen kan zorgen voor een hogere efficiëntie, die concurreert met andere gevestigde zonnecel technologieën,” zegt Marco Bernardi, een postdoc in MIT’s Department of Materials Science.
Voor toepassingen waar het gewicht een cruciale factor is – zoals in ruimtevaartuigen, de luchtvaart of voor gebruik in afgelegen gebieden in ontwikkelingslanden, waar de transportkosten aanzienlijk zijn – kunnen lichtgewicht cellen al een groot potentieel hebben, zegt Bernardi.
Pond voor pond kunnen de nieuwe zonnecellen tot 1000 keer meer vermogen produceren dan conventionele zonnecellen, zegt Bernardi. Op ongeveer een nanometer (miljardste van een meter) dik, “Het is 20 tot 50 maal dunner dan de dunste zonnecel die op heden kan worden gemaakt.”
“Je kan een zonnecel zelf niet dunner maken” voegde Grossman aan toe.
Deze ‘slankheid’ is niet alleen voordelig bij het verschepen, maar draagt ook bij tot montagevriendelijke zonnepanelen.
Ongeveer de helft van de kosten van panelen vandaag kruipt in draagconstructies, installatie, bedrading en controlesystemen. Kosten die verminderd kunnen worden door het gebruik van lichtere structuren.
Bovendien is het materiaal zelf veel goedkoper dan de sterk gezuiverde silicium gebruikt in standaard zonnecellen. En omdat de vellen zo dun zijn vereisen ze slechts minuscule hoeveelheden van de grondstoffen zelf.
Een bijkomend voordeel van deze materialen is hun stabiliteit op lange termijn, zelfs in de open lucht, terwijl andere zonnecellen materialen onder zware en dure glasplaten beschermd dienen te worden. “Het is in wezen stabiel in de lucht, onder ultraviolet licht, en in het vocht,” zegt Grossman. “Het is heel robuust.”
Bron: MIT
Foto: Jeffrey Grossman en Marco Bernardi