De huidige zonnetechnologieën zijn niet goed genoeg. Antonio Garcia op Unsplash, FAL

De vraag naar goedkopere, groenere elektriciteit betekent dat het energielandschap sneller verandert dan ooit tevoren. Dit geldt in het bijzonder voor elektriciteit op zonne-energie en batterij opslag. De kosten van beide zijn het afgelopen decennium met ongekende snelheden gedaald en energie-efficiënte technologieën zoals LED-verlichting zijn ook uitgebreid.

Toegang tot goedkope en alomtegenwoordige zonne-energie en opslag zal de manier waarop we energie produceren en gebruiken veranderen, waardoor de transportsector kan worden geëlektrificeerd. Er is potentieel voor nieuwe op chemicaliën gebaseerde economieën waarin wij bewaar hernieuwbare energie als brandstoffenen ondersteunen nieuwe apparaten die samen een "internet van dingen'.

Maar onze huidige energietechnologieën zullen ons niet naar deze toekomst leiden: we zullen binnenkort efficiëntie- en kostenlimieten bereiken. De potentieel voor toekomstige reducties in de kosten van elektriciteit uit silicium zonne-energie, bijvoorbeeld, is beperkt. De fabricage van elk paneel vereist een behoorlijke hoeveelheid energie en fabrieken zijn dat ook duur om te bouwen. En hoewel de productiekosten nog wat verder kunnen worden gedrukt, zijn de kosten van een zonne-installatie dat nu wel gedomineerd door de extra's - installatie, bedrading, de elektronica enzovoort.

Dit betekent dat de huidige zonne-energiesystemen waarschijnlijk niet voldoen aan het vereiste deel van onze wereldwijde stroomvereisten van 30 TeraWatt (TW) (ze produceren tegenwoordig minder dan 1 TW) snel genoeg om kwesties zoals klimaatverandering aan te pakken.

Evenzo zijn onze huidige LED-verlichting en displaytechnologieën te duur en niet van voldoende kleurkwaliteit om traditionele verlichting realistisch te vervangen in een voldoende korte tijd. Dit is een probleem, aangezien verlichting momenteel goed is 5% van de koolstofemissies in de wereld. Er zijn nieuwe technologieën nodig om deze leemte op te vullen, en snel.

Halogenide perovskieten

Ons lab in Cambridge, Engeland, werkt met een veelbelovende nieuwe familie van materialen, bekend als halogenide perovskieten. Het zijn halfgeleiders die ladingen geleiden wanneer ze met licht worden gestimuleerd. Perovskietinkten worden op glas of plastic afgezet om extreem dunne films te maken - ongeveer een honderdste van de breedte van een mensenhaar - bestaande uit metaal, halogenide en organische ionen. Wanneer ze tussen elektrodecontacten worden ingeklemd, maken deze films zonnecel of LED-apparaten.

Verbazingwekkend genoeg kan de kleur van het licht dat ze absorberen of uitzenden, eenvoudig worden gewijzigd door hun chemische structuur aan te passen. Door de manier waarop we ze kweken te veranderen, kunnen we ze aanpassen zodat ze beter geschikt zijn voor het absorberen van licht (voor een zonnepaneel) of voor het uitzenden van licht (voor een led). Zo kunnen we zonnecellen en leds in verschillende kleuren maken die licht uitstralen van ultraviolet tot aan het zichtbare en nabij-infrarood.

Ondanks hun goedkope en veelzijdige verwerking is aangetoond dat deze materialen opmerkelijk efficiënt zijn als zowel zonnecellen als lichtbronnen. Perovskiet-zonnecellen raakten 25.2% efficiëntie in 2019, heet op de hielen van kristallijne siliciumcellen met 26.7%, en perovskiet-LED's zijn dat al naderen standaard prestaties van organische lichtemitterende dioden (OLED).

Deze technologieën zijn snel gecommercialiseerd, met name aan de voorkant van de zonnecel. Oxford Photovoltaics, gevestigd in het VK, heeft bouwde een productielijn en vult zijn eerste inkooporders in in het begin van 2021. Het Poolse bedrijf Saule Technologies bracht eind 2018 prototypeproducten uit, waaronder een piloot van perovskiet-zonnegevel. De Chinese fabrikant Microquanta Semiconductor verwacht meer te produceren dan 200,000 vierkante meter van panelen in zijn productielijn vóór het einde van het jaar. Het in de VS gevestigde Swift Solar (een bedrijf dat ik mede heb opgericht) is pionier hoge performantie cellen met lichtgewicht, flexibele eigenschappen.

Gekleurde lichtgevende inkten van perovskiet die tot dunne films kunnen worden gegoten. © Sandeep Pathak, auteur voorzien

Tussen deze en andere bedrijven, wordt er snel vooruitgang geboekt.

Zonnepanelen en flexibele panelen

In tegenstelling tot conventionele siliciumcellen, die zeer uniform moeten zijn voor een hoog rendement, bestaan ​​er perovskietfilms uit mozaïek "korrels" van zeer variabele grootte (van nanometer tot millimeter) en chemie - en toch presteren ze bijna net zo goed als de beste siliciumcellen van vandaag. Wat meer is, kleine vlekjes of gebrek in perovskietfilms leiden niet tot aanzienlijke vermogensverliezen. Dergelijke defecten zouden catastrofaal zijn voor een siliciumpaneel of een commerciële LED.

Hoewel we dit nog steeds proberen te begrijpen, dwingen deze materialen de gemeenschap om het leerboek te herschrijven voor wat wij beschouwen als een ideale halfgeleider: ze kunnen zeer goede optische en elektronische eigenschappen hebben ondanks - of misschien zelfs vanwege - stoornis.

We zouden deze materialen hypothetisch kunnen gebruiken om 'designer' gekleurde zonnecellen te maken die opgaan in gebouwen of huizen, of zonnevensters die eruitzien als getint glas maar toch energie.

Maar de echte kans is om zeer efficiënte cellen te ontwikkelen die verder gaan dan de efficiëntie van siliciumcellen. We kunnen bijvoorbeeld twee verschillende gekleurde perovskietfilms samen in een "Tandem" zonnecel. Elke laag zou verschillende delen van het zonnespectrum oogsten, waardoor de algehele efficiëntie van de cel toeneemt.

Een ander voorbeeld is wat Oxford PV pioniert: het toevoegen van een perovskietlaag bovenop een standaard siliciumcel, wat de efficiëntie van de bestaande technologie verhoogt zonder noemenswaardige extra kosten. Deze benaderingen met dubbele lagen kunnen snel een verhoging van de efficiëntie van zonnepanelen meer dan 30%, wat zowel de paneel- als de systeemkosten zou verlagen en tegelijkertijd hun energie voetafdruk.

Deze perovskietlagen worden ook ontwikkeld om flexibele zonnepanelen te vervaardigen die verder als krantenpapier kunnen worden verwerkt tot rollen kosten verlagen. Lichtgewicht, krachtige zonne-energie biedt ook mogelijkheden voor het aandrijven van elektrische voertuigen en communicatiesatellieten.

Flexibele perovskiet prototype zonnecel. Plamen Petkov voor Scientific American

Voor leds kunnen perovskieten fantastisch presteren kleurkwaliteit wat zou kunnen leiden tot geavanceerd flexibele weergavetechnologieën. Perovskieten kunnen ook een goedkopere, hogere kwaliteit opleveren witte verlichting dan de huidige commerciële LED's, met de "kleurtemperatuur" van een wereldbol die kan worden vervaardigd om koel of warm wit licht te geven of elke gewenste tint daartussenin. Ze zorgen ook voor opwinding als bouwstenen voor toekomstige kwantumcomputersevenals Röntgendetectoren voor zeer lage doses medische en veiligheidsbeeldvorming.

Hoewel de eerste producten al in opkomst zijn, zijn er nog uitdagingen. Een belangrijk probleem is demonstreren stabiliteit op lange termijn. Maar het onderzoek is veelbelovend, en als deze eenmaal zijn opgelost, kunnen halogenideperovskieten de transformatie van onze energieproductie en -consumptie echt stimuleren.

Over de auteur

Sam Stranks, docent energie en onderzoeker van de Royal Society University, University of Cambridge

Dit artikel is opnieuw gepubliceerd vanaf The Conversation onder een Creative Commons-licentie. Lees de originele artikel.

Verwante Boeken

Drawdown: het meest uitgebreide plan ooit voorgesteld om opwarming van de aarde tegen te gaan

door Paul Hawken en Tom Steyer
In het licht van de wijdverspreide angst en apathie, is een internationale coalitie van onderzoekers, professionals en wetenschappers bij elkaar gekomen om een ​​reeks realistische en gewaagde oplossingen voor klimaatverandering aan te bieden. Honderd technieken en werkwijzen worden hier beschreven - sommige zijn bekend; sommigen heb je misschien nog nooit van gehoord. Ze variëren van schone energie tot het opleiden van meisjes in lagere inkomenslanden tot landgebruikspraktijken die koolstof uit de lucht halen. De oplossingen bestaan, zijn economisch levensvatbaar, en gemeenschappen over de hele wereld voeren ze momenteel uit met vaardigheid en vastberadenheid. Beschikbaar op Amazon

Ontwerp van klimaatoplossingen: een beleidsgids voor koolstofarme energie

door Hal Harvey, Robbie Orvis, Jeffrey Rissman
Nu de gevolgen van klimaatverandering al voor ons zijn, is de noodzaak om de wereldwijde uitstoot van broeikasgassen terug te dringen niets minder dan urgent. Het is een enorme uitdaging, maar de technologieën en strategieën om eraan te voldoen, bestaan ​​tegenwoordig. Een klein aantal goed ontworpen en geïmplementeerde energiebeleidslijnen kan ons op weg helpen naar een koolstofarme toekomst. Energiesystemen zijn groot en complex, dus het energiebeleid moet gericht en kosteneffectief zijn. One-size-fits-all benaderingen zullen de klus gewoon niet klaren. Beleidsmakers hebben een duidelijke, alomvattende bron nodig die het energiebeleid schetst dat de grootste impact zal hebben op onze klimaattoekomst, en beschrijft hoe dit beleid goed vormgegeven kan worden. Beschikbaar op Amazon

Dit verandert alles: Kapitalisme versus The Climate

door Naomi Klein
In Dit verandert alles Naomi Klein betoogt dat klimaatverandering niet alleen een kwestie is die netjes moet worden ingediend tussen belastingen en gezondheidszorg. Het is een alarm dat ons oproept om een ​​economisch systeem te repareren dat ons op veel manieren al tekortschiet. Klein bouwt nauwgezet op hoe massaal onze uitstoot van broeikasgassen wordt teruggedrongen, is onze beste kans om tegelijkertijd gapende ongelijkheden te verminderen, onze gebroken democratieën opnieuw te verbeelden en onze uitgeholde lokale economieën weer op te bouwen. Ze legt de ideologische wanhoop bloot van ontkenners van klimaatverandering, de messiaanse waanideeën van de zogenaamde geo-ingenieurs en het tragische defaitisme van te veel mainstream groene initiatieven. En ze laat precies zien waarom de markt de klimaatcrisis niet-kan en niet-kan oplossen, maar in plaats daarvan de zaken erger zal maken, met steeds extremere en ecologisch schadelijke extractiemethoden, vergezeld door een ongebreideld rampzalig kapitalisme. Beschikbaar op Amazon

Van de uitgever:
Aankopen op Amazon gaan om de kosten van het brengen van je te bekostigen InnerSelf.comelf.com, MightyNatural.com, en ClimateImpactNews.com zonder kosten en zonder adverteerders die je surfgedrag volgen. Zelfs als u op een link klikt maar deze geselecteerde producten niet koopt, betaalt alles wat u bij hetzelfde bezoek op Amazon koopt, een kleine commissie. Er zijn geen extra kosten voor u, dus draag alstublieft bij aan de moeite. Je kan ook gebruik dan deze link te gebruiken op elk gewenst moment voor Amazon, zodat u ons kunt helpen onze inspanningen te ondersteunen.