Zonne-energie: hoe een "Solar Tarp" -ontwerp de kracht van de zon kan benutten

Het energieopwekkend potentieel van zonnepanelen - en een belangrijke beperking van hun gebruik - is het resultaat van waaruit ze zijn gemaakt. Panelen gemaakt van silicium nemen in prijs af, zodat ze op sommige locaties elektriciteit kunnen leveren die ongeveer hetzelfde kost als fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardgas. Maar siliciumzonnepanelen zijn ook omvangrijk, stijf en broos, zodat ze nergens kunnen worden gebruikt.

In veel delen van de wereld die geen reguliere elektriciteit hebben, kunnen zonnepanelen leeslicht leveren in het donker en energie om drinkwater te pompen, kleine huishoudens of dorpsbedrijven van stroom voorzien, of zelfs noodopvang en vluchtelingenkampementen bedienen. Maar de mechanische kwetsbaarheid, zwaarte en transportproblemen van siliciumzonnepanelen suggereren dat silicium misschien niet ideaal is.

Voortbouwend op het werk van anderen, werkt mijn onderzoeksgroep aan de ontwikkeling van flexibele zonnepanelen, die net zo efficiënt zijn als een siliciumpaneel, maar dun, lichtgewicht en buigbaar zijn. Dit soort apparaat, dat we een 'zonnescherm' noemen, kan worden uitgespreid tot de grootte van een kamer en elektriciteit van de zon genereren, en het kan worden opgebold om zo groot te zijn als een grapefruit en gevuld in een rugzak als veel als 1.000 keer zonder te breken. Hoewel er enige moeite is gedaan om organische zonnecellen flexibeler te maken door ze ultradun te maken, vereist echte duurzaamheid een moleculaire structuur die de zonnepanelen rekbaar en taai maakt.

Silicon Semiconductors

Silicium is afgeleid van zand, waardoor het goedkoop is. En de manier waarop de atomen in een vast materiaal worden verpakt, maakt het tot een goede halfgeleider, wat betekent dat de geleidbaarheid ervan kan worden in- en uitgeschakeld met behulp van elektrische velden of licht. Omdat het goedkoop en nuttig is, is silicium de basis voor de microchips en printplaten op computers, mobiele telefoons en eigenlijk alle andere elektronica, die elektrische signalen van de ene component naar de andere overbrengen. Silicium is ook de sleutel tot de meeste zonnepanelen, omdat het de energie van licht kan omzetten in positieve en negatieve ladingen. Deze ladingen stromen naar de tegenovergestelde zijden van een zonnecel en kunnen worden gebruikt als een batterij.

Maar de chemische eigenschappen betekenen ook dat het niet in flexibele elektronica kan worden omgezet. Silicium absorbeert licht niet erg efficiënt. Fotonen kunnen dwars door een siliciumpaneel gaan dat te dun is, dus ze moeten redelijk dik zijn - ongeveer 100 micrometer, ongeveer de dikte van een dollarbiljet - zodat geen van het licht verloren gaat.

Next-Generation Semiconductors

Maar onderzoekers hebben andere halfgeleiders gevonden die veel beter in staat zijn licht te absorberen. Eén groep materialen, "perovskites" genoemd, kan worden gebruikt om zonnecellen te maken die bijna even efficiënt zijn als die van silicium, maar met lichtabsorberende lagen die een duizendste zijn van de dikte die nodig is voor silicium. Dientengevolge werken onderzoekers aan het bouwen van perovskietzonnecellen die kleine onbemande vliegtuigen en andere apparaten kunnen aandrijven waar het verminderen van gewicht een sleutelfactor is.

De Nobelprijs voor de Scheikunde van 2000 werd toegekend aan de onderzoekers die voor het eerst ontdekten dat ze een ander soort ultradunne halfgeleider konden maken, een halfgeleidend polymeer. Dit type materiaal wordt een "organische halfgeleider" genoemd omdat het is gebaseerd op koolstof en het wordt een "polymeer" genoemd omdat het bestaat uit lange ketens van organische moleculen. Organische halfgeleiders worden al commercieel gebruikt, waaronder in de miljardenindustrie van organische lichtgevende diode-schermen, beter bekend als OLED-tv's.

Polymerhalfgeleiders zijn niet zo efficiënt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit als perovskieten of silicium, maar ze zijn veel flexibeler en potentieel buitengewoon duurzaam. Reguliere polymeren - niet de halfgeleiderpolymeren - zijn overal in het dagelijks leven te vinden. Het zijn de moleculen die stof, plastic en verf vormen. Polymerhalfgeleiders hebben het potentieel om de elektronische eigenschappen van materialen zoals silicium te combineren met de fysieke eigenschappen van kunststof.

Het beste van beide werelden: efficiëntie en duurzaamheid

Afhankelijk van hun structuur hebben kunststoffen een breed scala aan eigenschappen - waaronder zowel flexibiliteit als met een zeil; en stijfheid, zoals de carrosseriepanelen van sommige auto's. Halfgeleidende polymeren hebben starre moleculaire structuren en veel zijn samengesteld uit kleine kristallen. Deze zijn essentieel voor hun elektronische eigenschappen, maar hebben de neiging om ze bros te maken, wat geen wenselijk kenmerk is voor flexibele of onbuigzame items.

Het werk van mijn groep was gericht op het identificeren van manieren om materialen te maken met zowel goede halfgeleidende eigenschappen als de duurzaamheid waarvan kunststoffen bekend zijn - flexibel of niet. Dit zal de sleutel zijn tot mijn idee van een zonnescherm of -deken, maar kan ook leiden tot dakbedekkingsmaterialen, buitentegels of misschien zelfs de oppervlakken van wegen of parkeerplaatsen.

Dit werk zal de sleutel zijn om de kracht van zonlicht te benutten - want het zonlicht dat de aarde in één uur raakt bevat immers meer energie dan alle menselijke wezens in een jaar gebruiken.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation van Darren Lipomi. Lees hier het originele artikel.