Vorige maand heeft een onderzoeker van het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, een zonnecel met een postzegelformaat op een schaal geplaatst en onder een hoogfrequente puls-zonnesimulator geplaatst. De simulator flitste een 2.5 milliseconde puls van licht, en 19-spiegels weerkaatsten de fotonen op de cel. Gedurende enkele milliseconden werden gegevens door een lus van draden naar NREL-computers geleid. Onderzoekers hebben de cijfers gecorrigeerd en gecorrigeerd, en apparaatprestatiesupervisor Keith Emery heeft ze geverifieerd: er is een nieuw wereldrecord voor fotovoltaïsche zonne-energie-efficiëntie vastgesteld.
In de high-stakes, zeer technische wereld van fotovoltaïsche cellen, wordt score behouden omdat het percentage van de onbewerkte zonne-energie een cel raakt die wordt omgezet in elektriciteit. Omdat zijn laboratorium de enige in de VS is die gecertificeerd is door de International Electrotechnical Commission voor het testen van de efficiëntie van zonnecellen, is Emery de onofficiële zonnescorer van het land.
We bevinden ons in een renaissanceperiode van fotovoltaïsch onderzoek, waarin constante innovatie de efficiëntie van alle soorten zonnecellen opdrijft - van het meest conventionele kristallijne silicium, tot dunne film cadmiumtelluride, tot veel zoembare nieuwe ontdekkingen zoals perovskietcellen. Wereldrecords worden halsbrekend vervaagd en de onderzoekers achter deze nieuwste platenmaker weten beter dan te lang te feesten.
The Solar Holy Grail: Grid Parity
Zowat iedereen in de fotovoltaïsche gemeenschap - zelfs diegenen die door de nieuwste innovaties zijn achtergebleven - is het ermee eens dat dit constante één-upmanship een zeer goede zaak is. Voor de zonne-industrie zijn efficiëntiebeoordelingen veel meer dan opscheppen of veevoeder voor voorstellen voor onderzoeksubsidies. Ze zijn van cruciaal belang om dichter bij "netpariteit" te komen - het punt waarop de fotovoltaïsche productie van elektriciteit dezelfde kost (of minder) als die van kolen- en aardgasinstallaties.
“Als je zonnecellen kunt ontwikkelen die een superhoog rendement hebben, kun je over de hele linie besparingen realiseren”, zegt natuurkundige John Rogers van de Universiteit van Illinois in Urbana-Champaign, een alom gerespecteerde leider op het gebied van fotovoltaïsch onderzoek. “Je reduceert het aantal modules dat je bouwt. U verlaagt de installatiekosten. De onderhoudskosten gaan omlaag. De hoeveelheid land die je nodig hebt, neemt af.”
De vuistregel in de zonne-energiewereld is dat fotovoltaïsche cellen in staat zullen zijn om rechtstreeks te concurreren met steenkool en aardgas wanneer hun elektriciteitsproductiekosten $ 1 per watt bedragen. "De fundamentele veronderstelling is dat wanneer je iets naar netpariteit brengt, de acceptatie van de technologie is veel beter ", zegt Ramamoorthy Ramesh, oprichter van de Het SunShot-programma van het Amerikaanse ministerie van energie, dat werd gelanceerd in 2011 met de missie om de kosten van zonne-energie omlaag te brengen om de kosten van elektriciteit uit fossiele brandstoffen te halen of te verslaan.
De vuistregel in de zonne-energiewereld is dat fotovoltaïsche cellen in staat zullen zijn om rechtstreeks te concurreren met steenkool en aardgas wanneer hun elektriciteitskosten $ 1 per watt bedragen. Op het moment dat SunShot begon, waren de kosten van zonne-PV-elektriciteit $ 5 per watt. Drie jaar later meldt Ramesh dat de kosten al zijn gedaald tot ongeveer $ 2.80 per watt.
Het meeste laaghangende fruit voor kostenbesparingen is echter al geplukt en een overvloed aan Chinese zonnepanelen was een grote drijfveer voor de betaalbaarheid van zonne-energie. Om de volgende $ 1.80 af te schaven, is het essentieel om cellen met hogere efficiëntie te produceren en die ontdekkingen van het lab naar de echte wereld te verplaatsen.
"Met fotovoltaïsche energie weten we wat we moeten doen", zegt Ramesh. "We moeten de productiekosten verlagen en de efficiëntie verbeteren."
Solar biedt veel mogelijkheden voor efficiëntie
Mogelijkheden voor het verbeteren van de efficiëntie zijn er veel. Een belangrijk aandachtspunt is het halfgeleidermateriaal dat wordt gebruikt om lichtenergie op te vangen en het in stroom te veranderen. Elk materiaal dat wordt gebruikt als een halfgeleider heeft unieke sterke punten en beperkingen op het gebied van efficiëntie, meestal omdat elk het beste is om een bepaald segment van het natuurlijke lichtspectrum te absorberen - dus wordt voortdurend gezocht naar materialen die het iets beter kunnen.
Om de efficiëntie te maximaliseren, zijn ingenieurs voortdurend aan het sleutelen met elk aspect van deze microscopische cellen. Andere factoren beïnvloeden ook de eindefficiëntie van een cel: hoe een halfgeleidermateriaal in de loop van de tijd degradeert, hoe de architectuur van de cel zorgt voor absorptie, hoe toepasselijk elektroden vangen de stroom op die de halfgeleider creëert en stuurt deze naar een productief gebruik als elektriciteit. Om de efficiëntie te maximaliseren, zijn ingenieurs voortdurend aan het sleutelen met elk aspect van deze microscopische cellen - het veranderen van chemicaliën en ontwerpen om uiteindelijk de beste stroom en spanning te produceren.
Vanwege de verschillende potentiële efficiënties van verschillende materialen en ontwerpen, zou een recordbepalende efficiëntiescore voor een bepaalde klasse van fotovoltaïsche cellen veel hoger kunnen zijn dan de andere. De beste dunnefilmzonnecellen ter wereld hebben een maximum van 23 procent, terwijl de beste op silicium gebaseerde cellen rond 26 procent bereiken en de beste multi-junction cellen (die een assortiment van op elkaar geplaatste halfgeleiders gebruiken) 44 procent opruimen .
Maar cellen met meerdere knooppunten zijn veel duurder om te produceren en kunnen niet echt worden gebruikt in wijdverspreide dakmontages. Dus een siliciumcel die beter kan loggen dan 25 procent efficiëntie is net zo spannend en veelbelovend als een multi-junction cel die over 40 klokt.
Kunnen we continue stijgingen van de zonne-efficiëntie verwachten?
Wanneer je je een zonnepaneel voorstelt - op een dak of in een grote uitgestrekte fotovoltaïsche boerderij - is de kans groot dat je een beeld van kristallijn silicium in je hoofd hebt. Al tientallen jaren is silicium het werkpaard van fotovoltaïsche zonne-energie wereldwijd, veruit de meest voorkomende halfgeleider voor zonnecellen. "Silicon is al 80 tot 90 procent van de markt voor zoiets als 20 jaren", zegt Sarah Kurtz, manager van de Reliability Group bij NREL.
Door die decennia zijn de efficiënties van siliciumcellen gestaag toegenomen, maar langzaam, en de heersende houding was dat er niet veel efficiënter was dan silicium. Tot voor kort.
Een upstart siliciumbedrijf, TetraSun, laat NREL-onderzoekers bruisen en concurrenten zien rood. Door enkele siliciumconventies aan het oor te houden, heeft TetraSun 21 procent efficiëntie geregistreerd in slechts 18 maanden werk. Hoewel dat misschien niet veel klinkt, slaat het al typische schermbedrukte siliciumcellen - verreweg de meest voorkomende die je op daken ziet - met een paar serieuze procentpunten uit.
Een deel van het geheim van TetraSun is dat van een aantal beruchte prestatie-atleten: doping. Alle siliciumwafels zijn gedoteerd (chemisch behandeld), maar de zogenaamde "N-type" cellen van TetraSun zijn gedoteerd met fosfor. Dit voorkomt dat de cellen last hebben van dezelfde door licht veroorzaakte afbraak die conventionele met boor gedoteerde "P-type" wafels plaagt, waardoor de efficiëntie langer meegaat in de levensduur van een paneel.
Dergelijke inspanningen om minder dure materialen te vervangen door dure componenten worden steeds belangrijker, omdat bedrijven grotere fotovoltaïsche installaties voor zonne-energie willen bouwen.
De N-type cellen van TetraSun zijn ook dubbelzijdig, met een aantal slimme architectuur waarmee de halfgeleider indirect zonlicht kan opvangen dat tegen de onderkant van de module stuitert. En bovendien verwisselde TetraSun het zilveren raster dat de voorkant van een typisch silicium fotovoltaïsch paneel bekleedt, dat de elektrische stroom van de cel afvoert, voor koperen elektroden. Het was niet zo eenvoudig - gedurende maanden en maanden werkten de ingenieurs van TetraSun met NREL-experts om erachter te komen hoe ze het koper, een nogal onhandelbaar materiaal, konden krijgen om zich te gedragen. Uiteindelijk stak het koper vast in formatie, de gerasterde lijnen ongeveer eenentwintig vijfde de breedte van een mensenhaar.
Dergelijke inspanningen om minder dure materialen te vervangen door dure componenten worden steeds belangrijker, omdat bedrijven naar grotere fotovoltaïsche zonnepaneleninstallaties zoeken, NREL-analytische microscopiebegeleider Mowafak Al-Jassim vertelde SolarReviews Afgelopen november.
Vanaf februari worden panelen die zijn uitgerust met de met koper beklede cellen van TetraSun, de stralen op de daken van echt betalende klanten opgezogen. Het bedrijf werd gekocht door First Solar, een grote speler in commerciële zonne-energie, die onmiddellijk het product van TetraSun uitgerold heeft als eerste lijn voor daken.
Een potentiële opkomende ster: perovskiet-zonnecellen
Als siliconenonderzoekers proberen een oude hond nieuwe trucjes te leren, is een nieuw zonnemateriaal, perovskite genaamd, een nieuw exotisch hondenras dat hoofden en kaken laat vallen. Perovskietcellen (genoemd naar een mineraal dat wordt gevonden in het Oeralgebergte) schieten sneller op de efficiencykaarten dan de fotovoltaïsche wereld ooit heeft gezien.
Pas in 2009 werd perovskiet zelfs beschouwd als een halfgeleider in zonnecellen. In die tijd registreerde een Japanse wetenschapper die ermee experimenteerde 3.8 procent efficiëntie. Vorige maand meldde een team van de Universiteit van Californië-Los Angeles 19.3 procent.
Perovskite cellen "zijn een variatie op kleurstof-gevoelige cellen, waaraan al geruime tijd is gewerkt," legt Kurtz uit, verwijzend naar een opkomende klasse van cellen die in hoofdzaak de halfgeleiderschijven in vaste vorm vervangt door lichtabsorberende organische kleurstoffen. "Alleen in het laatste jaar hebben [onderzoekers] een materiaalcombinatie bedacht die een hogere efficiëntie mogelijk maakt." En sindsdien is het voor de races geweest.
Het grootste voordeel van perovskite is hoe gemakkelijk het is om mee te werken. Het kan in een vloeistof worden gekweekt en in principe op een basismateriaal worden gedrukt, wat zorgt voor eenvoudige en goedkope productie van zonnecellen die gemakkelijk van hightech onderzoekslaboratoria naar fabrieken kan worden overgebracht.
Eén probleem: de best presterende perovskietcellen worden gemengd met lood, wat kan werken in de beveiligde ruimtes van een lab, maar die niemand op hun daken gaat zetten. In de afgelopen maand hebben echter twee afzonderlijke onderzoeksteams veelbelovende resultaten gepubliceerd van vroege experimenten met perovskite met tin. Tin is niet alleen veiliger en milieuvriendelijker dan lood, het is ook veel goedkoper.
"Tin is een zeer levensvatbaar materiaal en we hebben aangetoond dat het materiaal werkt als een efficiënte zonnecel", zei Mercouri Kanatzidis, een chemicus aan de Northwestern University in een verklaring vorige maand de bevindingen van zijn team aankondigen. "Tin en lood zitten in dezelfde groep in het periodiek systeem, dus we verwachten vergelijkbare resultaten."
Of perovskiet-zonnecellen succes boeken, is natuurlijk een open vraag. De cellen moeten hun levensvatbaarheid nog bewijzen in echte glazen en metalen modules en het hele veld is te jong om enig idee te hebben hoe goed ze in de loop van de tijd standhouden.
Het stapelen van cellen is een nieuwe doorbraak
Voor Rogers is het stapelen van cellen de manier om de efficiëntielimieten van traditionele fotovoltaïsche cellen te doorbreken. Elk gegeven zonnecelmateriaal (zoals silicium of cadmiumtelluride, de meest populaire vorm van dunne film), legt Rogers uit, is goed in het absorberen van een bepaald beperkt deel van het lichtspectrum van de zon. Omdat ze alleen zijn afgestemd op die golflengten, hebben alle basale zonnecellen een theoretische limiet. (Kristallijn silicium is ongeveer 29 procent, in het veld bekend als de Shockley-Queisser limiet.)
De strategie van Rogers is om verschillende materialen te stapelen - elke laag neemt een ander brok van het lichtspectrum op. "De manier waarop je de efficiëntie verbetert, is het ontwerpen van zonnecellen die het vermogen hebben om over het volledige spectrale bereik van inkomende fotonen van de zon te werken. , en dat is een vrij breed bereik ", zegt Rogers.
Rogers 'strategie is om verschillende materialen te stapelen - elke laag neemt een ander brok van het lichtspectrum op. "Je kunt een zonnecel ontwikkelen die heel goed werkt in het groen, maar waardeloos in het rood," legt hij uit, "maar dan stapelen op een andere die is afgestemd om effectief in het rood te werken."
De resulterende halfgeleiderstapels zijn klein - minder dan een millimeter vierkant - maar het glazen paneel dat eroverheen rust, bevat lenzen die het zonlicht direct op elke stapel richten, als een slecht kind dat een insect met een vergrootglas brandt. Elk beetje licht dat het paneel raakt, voldoet aan een minuscule stapel cellen.
Deze prestatie van microengineering - die, om het eenvoudig te versimpelen, omvat het laten groeien van elke laag op een ander substraat, wegetsen van de gewenste cellen, "rubber stempelen" van de halfgeleiders op de cel zelf en ze vervolgens vier lagen dik stapelen - werkt echt. Het team van Rogers heeft zojuist een uit vier lagen bestaande cel aangekondigd die in het lab op 42.5 procent efficiëntie is geklokt.
Rogers werkt nu samen met een bedrijf uit Noord-Carolina genaamd Semprius om multi-junction-cellen zoals die van hem in te brengen in veldklare modules. Zelfs met alle verschillende parafernalia halen de Semprius-modules 35 procent efficiëntie, wat "absoluut de best presterende module is die er is", zegt Rogers. "Het is niet eens in de buurt."
Huiseigenaren zullen waarschijnlijk geen bestelling plaatsen bij Semprius, omdat deze modules niet voor daken zijn. Ze zijn "het meest geschikt voor zonnewarmtes op bedrijfsschaal, of u kunt zich voorstellen dat ze zijn geïnstalleerd in industrieparken en datafarms. We hebben het over ultra-lage kosten, grootschalige stroomopwekking, "zegt Rogers.
Laag genoeg kosten om netpariteit te bereiken? Siemens, de enorme Duitse leider op zonne-energie, denkt van wel. Het bedrijf is een vroege investeerder in Semprius en Rogers noemt de evaluatie van de technologie 'het meest inspirerend'.
"Ze wierpen een blik en zeiden dat dit goedkoper kon zijn dan steenkool."
En toch, trouw aan de aard van de zoektocht naar betere fotovoltaïsche energie, is dit niet het einde van het verhaal: in het lab zegt Rogers dat met enkele kleine aanpassingen zijn team de efficiëntie-rating boven 50 procent kan krijgen. "We kunnen een lange weg gaan zonder een nieuwe doorbraak."
Blijf kijken.
Dit artikel verscheen oorspronkelijk op Ensia
Over de auteur
Ben Jervey is een schrijver en redacteur die betrekking heeft op klimaat, energie en milieu. Hij schrijft regelmatig voor National Geographic News, Op aarde en DeSmogBlog. Hij werkte onlangs met Focus the Nation om een Energy 101-primer. Als fietsliefhebber heeft Ben de Verenigde Staten en heel Europa doorkruist.
Aanbevolen boek:
Hoe de wereld te veranderen: sociale ondernemers en de kracht van nieuwe ideeën, bijgewerkte editie
door David Bornstein.
Gepubliceerd in meer dan twintig landen, Hoe de wereld veranderen is de Bijbel geworden voor sociaal ondernemerschap. Het profileert mannen en vrouwen van over de hele wereld die innovatieve oplossingen hebben gevonden voor een breed scala aan sociale en economische problemen. Of ze nu werken aan het leveren van zonne-energie aan Braziliaanse dorpsbewoners, of de toegang tot college in de Verenigde Staten verbeteren, sociale ondernemers bieden baanbrekende oplossingen die levens veranderen.
Klik hier voor meer info en / of om dit boek op Amazon te bestellen.
