Zonnepanelen op een Walmart-dak, Mountain View, Californië.
Walmart / Flickr, CC BY

De wereldwijde vraag naar energie neemt met het uur toe, terwijl de ontwikkelingslanden richting industrialisatie gaan. Deskundigen schatten dat tegen het jaar 2050 de wereldwijde vraag naar elektriciteit kan oplopen 30 terawatts (TW). Voor perspectief is één terawatt ongeveer gelijk aan de kracht van 1.3 miljard paarden.

Energie van de zon is eindeloos - de zon geeft ons 120,000 TW van kracht op elk moment - en het is gratis. Maar vandaag levert zonne-energie slechts ongeveer één procent van de elektriciteit van de wereld. De kritieke uitdaging is om het goedkoper te maken om foto-energie om te zetten in bruikbare elektrische energie.

Om dat te doen, moeten we materialen vinden die zonlicht absorberen en efficiënt in elektriciteit omzetten. Bovendien willen we dat deze materialen overvloedig zijn, milieuvriendelijk en kosteneffectief om te verwerken tot zonnepanelen.

Onderzoekers van over de hele wereld werken aan de ontwikkeling van zonneceltechnologieën die efficiënt en betaalbaar zijn. Het doel is om de installatiekosten van zonne-energie onder US $ 1 per watt te brengen, vergeleken met ongeveer $ 3 per watt vandaag.

Op de universiteit van Binghamton Centrum voor autonome zonne-energie (CASP), we onderzoeken manieren om dunnefilmzonnecellen te maken met materialen die overvloedig van aard zijn en niet-toxisch. We willen zonnecellen ontwikkelen die betrouwbaar zijn, zeer efficiënt in het omzetten van zonlicht naar elektriciteit en goedkoop te produceren zijn. We hebben twee materialen geïdentificeerd die een groot potentieel hebben als absorptiemiddelen voor zonne-energie: pyriet, beter bekend als het goud van de dwaas vanwege de metaalglans; en koper-zink-tin-sulfide (CZTS).

Het ideale materiaal zoeken

De hedendaagse zonnecellen zijn gemaakt van een van de drie materialen: silicium, cadmiumtelluride (CdTe) en koper-indium-gallium-selenide (CIGS). Elk heeft sterke en zwakke punten.

Siliciumzonnecellen zijn zeer efficiënt en verwerken tot 25 procent van het zonlicht dat erop valt in elektriciteit en zijn zeer duurzaam. Het is echter erg duur om silicium in wafers te verwerken. En deze wafels moeten erg dik zijn (ongeveer 0.3 millimeter, wat dik is voor zonnecellen) om al het zonlicht op te vangen dat er op valt, wat de kosten verder verhoogt.

Siliciumzonnecellen - vaak zonnecellen van de eerste generatie genoemd - worden gebruikt in de panelen die vertrouwde bezienswaardigheden zijn geworden op daken. Ons centrum bestudeert een ander type genaamd dunne film zonnecellen, de volgende generatie zonnetechnologie. Zoals hun naam doet vermoeden, worden dunnefilmzonnecellen gemaakt door een dunne laag van zonne-absorberend materiaal over een substraat te plaatsen, zoals glas of plastic, dat meestal flexibel kan zijn.

Deze zonnecellen gebruiken minder materiaal, dus ze zijn minder duur dan kristallijne zonnecellen gemaakt van silicium. Het is niet mogelijk om kristallijn silicium op een flexibel substraat te coaten, dus we hebben een ander materiaal nodig om als een zonne-absorber te gebruiken.

Hoewel dunnelaagtechnologie op zonne-energie snel verbetert, zijn sommige materialen in de huidige dunne film zonnecellen schaars of gevaarlijk. Het cadmium in CdTe is bijvoorbeeld zeer giftig voor alle levende wezens en staat erom bekend kanker te veroorzaken bij de mens. CdTe kan bij hoge temperaturen (bijvoorbeeld in een laboratorium of in een huisvuur) worden gescheiden in cadmium en tellurium, wat een ernstig risico voor inademing vormt.

We werken met pyriet en CZTS omdat ze niet-toxisch en erg goedkoop zijn. CZTS kost ongeveer 0.005 cent per watt en pyrietkosten slechts 0.000002 cent per watt. Ze behoren ook tot de meest voorkomende materialen in de aardkorst en absorberen het zichtbare spectrum van zonlicht efficiënt. Deze films kunnen zo dun zijn als 1 / 1000th van een millimeter.

Testen van CZTS-zonnecellen onder gesimuleerd zonlicht.
Tara Dhakal / Binghamton University, auteur verstrektWe moeten deze materialen uitkristalliseren voordat we ze in zonnecellen kunnen fabriceren. Dit wordt gedaan door ze te verwarmen. CZTS kristalliseert bij temperaturen onder 600 graden Celsius, vergeleken met 1,200 graden Celsius of hoger voor silicium, waardoor het goedkoper is om te verwerken. Het is vergelijkbaar met zeer efficiënte koper-indium gallium selenide (CIGS) zonnecellen, die nu commercieel verkrijgbaar zijn, maar vervangt het indium en gallium in deze cellen door goedkoper en overvloediger zink en tin.

Tot nu toe zijn CZTS-zonnecellen echter relatief inefficiënt: ze zetten minder dan om 13 procent van het zonlicht dat op hen valt tot elektriciteit, in vergelijking met 20 procent voor duurdere CIGS-zonnecellen.

We weten dat CZTS-zonnecellen potentieel 30 procent efficiënt zijn. De belangrijkste uitdagingen zijn 1), waarbij hoogwaardige CZTS dunne film zonder sporen van onzuiverheden wordt gesynthetiseerd, en 2) waarbij een geschikt materiaal wordt gevonden voor de "bufferlaag" eronder, die helpt bij het verzamelen van de elektrische ladingen die zonlicht in de absorptielaag veroorzaakt. Ons lab heeft een CZTS dunne film gemaakt met zeven procent efficiëntie; we hopen 15 procent efficiëntie binnenkort te bereiken door hoogwaardige CZTS-lagen te synthetiseren en geschikte bufferlagen te vinden.

Structuur van een CZTS-zonnecel.
Tara Dhakal / Binghamton Univ., Auteur verstrektPyriet is een andere potentiële absorbeerder die bij zeer lage temperaturen kan worden gesynthetiseerd. Ons lab heeft pyriet-dunne films gesynthetiseerd en nu werken we eraan om die films in zonnecellen te plaatsen. Dit proces is een uitdaging omdat pyriet gemakkelijk afbreekt wanneer het wordt blootgesteld aan hitte en vocht. We onderzoeken manieren om het stabieler te maken zonder het zonneabsorptievermogen en de mechanische eigenschappen te beïnvloeden. Als we dit probleem kunnen oplossen, kan 'fool's gold' een slim fotovoltaïsch apparaat worden.

In een recent onderzoek schatten onderzoekers van de Stanford University en de University of California in Berkeley dat zonne-energie kan bieden tot 45 procent van Amerikaanse elektriciteit door 2050. Om dat doel te bereiken, moeten we de kosten van zonne-energie blijven drukken en manieren vinden om zonnecellen duurzamer te maken. Wij geloven dat overvloedige, niet-toxische materialen essentieel zijn voor het realiseren van het potentieel van zonne-energie.

Over de auteur

Tara P. Dhakal, universitair docent elektrische en computertechnologie, Binghamton University, State University of New York. Zijn onderzoeksinteresse is gericht op hernieuwbare energie, met name zonne-energie. Zijn onderzoeksdoel is het realiseren van zonneceltechnologie die milieuvriendelijk en economisch betaalbaar is.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees de originele artikel.

Verwante Boeken

at InnerSelf Market en Amazon