Opkomende zonnetechnologieën kunnen de wereld veranderen

• Zonne-energie is een belangrijke hernieuwbare bron voor de energietransitie

• Maar er zijn drie grote uitdagingen: efficiëntie, intermittentie en materiaalgebruik

• De opkomende zonne-energietechnologieën zijn bedoeld om deze uitdagingen aan te pakken, maar ze zijn nog niet commercieel haalbaar

• De opkomende technologieën die wereld zouden kunnen veranderen zijn: perovskieten, kwantumdots, glas dat onder warmte donker wordt en ook energie opwekt en nachtzonnecellen

Zonne-energie is een belangrijke hernieuwbare bron voor de energietransitie. Wereldwijd is zonne-energie de snelst groeiende schone technologie. In 2022 bedroeg de zonne-energiecapaciteit 224 GW of 13% van de totale hernieuwbare capaciteit wereldwijd. Er zijn momenteel drie grote uitdagingen om op te lossen: efficiëntie, intermittentie en materiaalgebruik. Zonnepanelen op daken hebben gemiddeld een efficiëntie van 25%. Wetenschappers werken aan het verbeteren van de efficiëntie van zonnecellen, het verlagen van de kosten en het ontwikkelen van nieuwe technologieën. In een ideale wereld worden zonnecellen geïntegreerd in gebouwen en worden de ramen donkerder op zonnige dagen en wekken ze ook elektriciteit op. Bovendien zouden zonnepanelen werken wanneer de zon ondergaat, zodat er niet langer het probleem van intermittentie is. In deze analyse richten we ons op de huidige en opkomende technologieën en hoe ver we nog verwijderd zijn van een ideale wereld. We beginnen eerst met enkele basisprincipes over zonnetechnologie. Daarna gaan we verder met de verschillende zonnetechnologieën, andere opkomende technologieën en toepassingen.

Hoe werkt fotovoltaïsche energie?

Zonne-energie bereikt de aarde als elektromagnetische straling die met de snelheid van het licht door de ruimte reist. Het duurt ongeveer 8,3 minuten om van de zon naar de aarde te gaan. Een deel van deze straling wordt weerkaatst door de wolken of geabsorbeerd door de atmosfeer, terwijl een ander deel het aardoppervlak bereikt. De hoeveelheid energie hangt af van de hoek van de zonnestraal en het lokale weer. Als het licht op de bron van een zonnecel valt, verplaatst de energie elektronen. Aangesloten op een circuit wordt de zonnecel een bron van elektrische stroom. Dit wordt het foto-elektrisch effect genoemd. Zonnecellen zijn dus apparaten die invallende lichtenergie omzetten in elektrische energie. De meeste zonnepanelen zijn gemaakt van materialen (voornamelijk silicium) die fysiek reageren op bepaalde golflengten van zonne-energie. De grafiek hieronder laat zien welk deel van de zonnestraling silicium (Si) opvangt.

Bijna 50% van het zonnespectrum wordt niet opgevangen door de meeste zonnepanelen. Dit komt door de gebruikte materialen (voornamelijk silicium). Het langgolvige infrarode licht heeft niet genoeg energie om de elektronen te verplaatsen, terwijl het kortgolvige ultraviolette licht te veel energie heeft. Als er andere materialen worden gebruikt, kan een ander deel van het licht worden opgevangen. Er zijn echter nog twee andere uitdagingen. Ten eerste gaat ongeveer 25% van de lichtenergie verloren door hoe elektronen zich gedragen. Ten tweede gaat ongeveer 14% verloren via weerstand tegen stroomdoorgang (bron: EnvironMatch!). Dus van de totale lichtenergie wordt 50% gebruikt en daarvan gaat 39% verloren (25%+14%), wat betekent dat de theoretische maximale efficiëntie van zonnepanelen die silicium gebruiken (de meerderheid) van ongeveer 32% is. De meeste zonnepanelen voor woningen hebben een rendement tussen 19% en 21%. Dit is misschien laag, maar het is relatief hoog vergeleken met het theoretische maximale rendement van 32%.

Welke zonnetechnologieën zijn er?

Er zijn vier generaties zonnecellen. Bovendien zijn er nog twee andere technologieën waar we ons op richten: thermochroom fotovoltaïsch glas en nachtzonnecellen. Deze technologieën worden hieronder uitgelegd.

Eerste generatie

De eerste generatie zijn zonnecellen met gekristalliseerd silicium. Dit kunnen monokristallijne of polykristallijne zonnecellen zijn. Monokristallijn silicium is éénkristallijn silicium, wat betekent dat het een homogeen materiaal is. Het heeft een hoger rendement dan polykristallijn, maar de productie is minder efficiënt en er ontstaat materiaalafval. Polykristallijn silicium bestaat uit meerdere kleine kristallieten. Het is niet-homogeen. Monokristallijn silicium heeft een productie-efficiëntie van ongeveer 20-22% en polykristallijn 18-20%. De meeste zonnecellen op de markt zijn zonnecellen van de eerste generatie kristallijn silicium.

Tweede generatie

De tweede generatie zonnecellen is een nieuwere fotovoltaïsche technologie en bestaat uit een of meer dunne films van fotovoltaïsche materialen op een substraat. Deze cellen zijn dunner, flexibeler, goedkoper en breder toepasbaar. De dikte van de film is in nanometers. Deze films kunnen worden gebruikt in Building Integrated PV (BIPV) zoals zonnetegels, ramen waar zonnecellen inzitten, muren met zonne-energie, dakpannen waar zonnepanelen inzitten, zonneschermen en PV-geluidswallen. Deze dunne-filmcellen absorberen een ander deel van het zonnespectrum dan kristallijn silicium omdat de gebruikte materialen een andere wisselwerking met licht hebben. Hun grootste nadeel is dat ze op commerciële schaal inefficiënt zijn. Een ander nadeel is dat sommige materialen giftig zijn (cadmium) en andere schaars (tellurium). Op commerciële schaal hebben ze een efficiëntie van ongeveer 12-16% (bron: SolarSena).

Derde generatie

Zonnecellen van de derde generatie zijn opkomende technologieën. Ze zijn veel goedkoper en gemakkelijk te produceren met de rol-op-rol-methode. Geen van deze cellen heeft echter een commercieel rendement dat vergelijkbaar is met dat van kristallijne siliciumcellen. Voorbeelden zijn: dye sensitized zonnecellen, organische zonnecellen, kopersulfidezonnecellen (CZTS), perovskietzonnecellen en kwantumdotzonnecellen. De laatste twee krijgen de meeste aandacht.

Een perovskiet is een verbinding waarvan de kristalstructuur lijkt op die van calciumtitaanoxide. Het zijn dunne-filmapparaten die zijn opgebouwd uit lagen materialen. De kosten van grondstoffen zijn lager in vergelijking met andere zonnetechnologieën. Perovskieten kunnen worden afgestemd om te reageren op verschillende kleuren in het zonnespectrum door de samenstelling van het materiaal te veranderen. Ze kunnen dus worden gecombineerd met een ander, anders afgestemd absorberend materiaal om meer vermogen uit hetzelfde apparaat te halen. Dit wordt tandemarchitectuur genoemd (bron: energy.gov). Hierdoor zal het efficiëntiepercentage aanzienlijk toenemen. Maar de grootste uitdaging is de stabiliteit van het materiaal. Ze kunnen snel degraderen wanneer ze worden blootgesteld aan hitte, vocht en sneeuw.

Een andere veelbelovende opkomende zonnetechnologie zijn kwantumdots. Ze worden beschouwd als kunstmatige atomen. Hun energieniveaus kunnen worden aangepast door hun grootte te veranderen. De grootte van de kwantumdot bepaalt dus welk deel van het spectrum van zonlicht kan worden geabsorbeerd. Sommige materialen zijn echter giftig. Bovendien neemt de afbraak toe in waterige en UV-omstandigheden.

Vierde generatie

Zonnecellen van de vierde generatie proberen een breder spectrum op te vangen door gebruik te maken van verschillende materialen met verschillende absorptie, zoals perovskiet en kwantumdots. Dan gaat 50% van het spectrumlicht niet langer verloren. Hierdoor zal de theoretische maximale efficiëntie toenemen. Dit worden multi-junctie zonnecellen genoemd.

Andere technologieën

In deze paragraaf willen we ons richten op twee andere technologieën: Thermochroom fotovoltaïsch glas en nachtzonnecellen. Thermochromisch glas is een raam dat donkerder wordt wanneer de warmte van de directe zon op het raam valt. Fotovoltaïsch glas is een raam waarin zonnecellen zijn ingebouwd die elektriciteit opwekken. Met de thermochrome fotovoltaïsche technologie kan de ruit van kleur veranderen om schittering tegen te gaan en ongewenste zonnewarmte te verminderen wanneer het glas warm wordt op een warme en zonnige dag. Deze kleurverandering leidt ook tot de vorming van een functionerende zonnecel die stroom opwekt. De perovskieten in het materiaal genereren de elektriciteit (bron: US National Renewable Energy Laboratory or NREL). Dit wordt ook wel SwitchGlaze genoemd. Het is dus een combinatie van thermochromatisch en fotovoltaïsch. Het is nog niet commercieel beschikbaar omdat onderzoekers werken aan het verbeteren van de technologie.

Bij de meeste opkomende zonnetechnologieën proberen wetenschappers de efficiëntie te verhogen door materialen of een combinatie van verschillende materialen te gebruiken die een groter deel van het zonnespectrum absorberen. Deze zonnecellen werken alleen als de zon op is. Zijn er ook panelen die werken als het donker is? Die zijn er. Deze zonnecellen worden nachtzonnecellen genoemd. Vorig jaar was er een grote doorbraak. Nachtzonnecellen kunnen stroom leveren in het donker. Ze werken als zonnepanelen in omgekeerde richting. Ze bestaan uit een thermoradiatieve diode die ook in nachtkijkers zit. Deze diode werkt als het omgekeerde van een zonnecel die thermische energie accepteert die vanaf de aarde omhoog wordt gestraald naar een kouder gebied en de energiestroom over het energieverschil omzet in elektrisch potentieel. Nachtzonnecellen kunnen dus de warmte of het infrarode licht dat op het oppervlak van het paneel valt, aftappen om elektriciteit op te wekken. Maar momenteel is nachtzonne-energie slechts in staat om een fractie te produceren van wat zonnepanelen produceren (ongeveer 0,04%). Als de efficiëntie van deze technologie aanzienlijk zou toenemen, zou batterijopslag in de meeste gevallen niet langer nodig zijn.

Conclusie

Om netto nul te bereiken tegen 2050 speelt fotovoltaïsche energie een cruciale rol. Maar er zijn drie uitdagingen voor fotovoltaïsche energie. Ten eerste absorberen de huidige zonnepanelen slechts een deel van het zonnespectrum, waardoor de maximale theoretische efficiëntie 32% is. Ten tweede werken zonnepanelen niet als de zon onder is. Ten derde worden er veel materialen gebruikt voor de productie van zonnecellen. De volgende generatie zonnetechnologieën (vooral de derde generatie en hoger) is erop gericht om deze uitdagingen te overwinnen. Sommige van deze technologieën zouden een grote verandering teweeg kunnen brengen als ze commercieel beschikbaar worden, zoals perovskiet, kwantumdots, thermochroom fotovoltaïsch glas en nachtzonnecellen. Maar geen van deze opkomende technologieën heeft nu een commerciële efficiëntie die vergelijkbaar is met die van kristallijne siliciumcellen, sommige zijn niet stabiel en andere gebruiken giftige en/of zeldzame materialen. Er moet dus meer onderzoek worden gedaan om deze in de toekomst commercieel beschikbaar te maken.

Dit artikel maakt deel uit van de SustainaWeekly van 28 augustus 2023