Wetenschappers van Oxford University Physics Department hebben een revolutionaire aanpak ontwikkeld die steeds meer zonne-energie kan opwekken zonder dat er zonnepanelen op basis van silicium nodig zijn. In plaats daarvan werkt hun innovatie door het coaten van een nieuw energieopwekkend materiaal op het oppervlak van alledaagse voorwerpen zoals rugzakken, auto’s en mobiele telefoons.
Het nieuwe lichtabsorberende materiaal is voor het eerst dun en flexibel genoeg om aan te brengen op het oppervlak van bijna elk gebouw of gewoon voorwerp. Door gebruik te maken van een baanbrekende techniek die in Oxford is ontwikkeld, waarbij meerdere lichtabsorberende lagen in één zonnecel worden gestapeld, hebben ze een breder bereik van het lichtspectrum benut, waardoor meer energie kan worden opgewekt uit dezelfde hoeveelheid zonlicht. Dit ultradunne materiaal, dat gebruik maakt van deze zogenaamde multi-junction benadering, is nu onafhankelijk gecertificeerd om meer dan 27% energie-efficiëntie te leveren, waarmee het voor het eerst de prestaties evenaart van traditionele, enkellaags energieopwekkende materialen die bekend staan als silicium fotovoltaïsche cellen. Het Japanse nationale instituut voor geavanceerde industriële wetenschap en technologie (AIST) gaf zijn certificering voorafgaand aan de publicatie van de wetenschappelijke studie van de onderzoekers later dit jaar.
“In slechts vijf jaar experimenteren met onze stapel- of multi-junctiebenadering hebben we de energie-omzettingsefficiëntie verhoogd van ongeveer 6% naar meer dan 27%, dicht bij de grenzen van wat fotovoltaïsche systemen met één laag vandaag de dag kunnen bereiken,” aldus Dr. Shuaifeng Hu, Post Doctoral Fellow aan de Oxford University Physics. “Wij geloven dat deze benadering na verloop van tijd fotovoltaïsche apparaten in staat kan stellen om veel hogere rendementen te bereiken, van meer dan 45%.
Dit is vergelijkbaar met de ongeveer 22% energie-efficiëntie van zonnepanelen vandaag de dag (wat betekent dat ze ongeveer 22% van de energie in zonlicht omzetten), maar de veelzijdigheid van het nieuwe ultradunne en flexibele materiaal is ook belangrijk. Met een dikte van iets meer dan één micron is het bijna 150 keer dunner dan een silicium wafer. In tegenstelling tot bestaande fotovoltaïsche materialen, die meestal worden toegepast op silicium panelen, kan dit materiaal op bijna elk oppervlak worden toegepast.
“Door gebruik te maken van nieuwe materialen die als coating kunnen worden aangebracht, hebben we laten zien dat we silicium kunnen nabootsen en overtreffen, terwijl we ook aan flexibiliteit winnen. Dit is belangrijk omdat het meer zonne-energie belooft zonder dat er zoveel op silicium gebaseerde panelen of speciaal gebouwde zonneparken nodig zijn,” aldus Dr. Junke Wang, Marie Skłodowska Curie Actions Postdoc Fellow aan de Oxford University Physics.
De onderzoekers geloven dat hun aanpak de kosten van zonne-energie zal blijven verlagen en het ook de meest duurzame vorm van hernieuwbare energie zal maken. Sinds 2010 zijn de gemiddelde kosten van zonne-energie wereldwijd met bijna 90% gedaald, waardoor het bijna een derde goedkoper is dan elektriciteit uit fossiele brandstoffen. Innovaties beloven nog meer kostenbesparingen als nieuwe materialen, zoals dunne film perovskiet, de behoefte aan siliciumpanelen en speciaal gebouwde zonneparken verminderen.
“We kunnen ons voorstellen dat perovskiet coatings op meer soorten oppervlakken worden aangebracht om goedkope zonne-energie op te wekken, zoals het dak van auto’s en gebouwen en zelfs de achterkant van mobiele telefoons. Als er op deze manier meer zonne-energie kan worden opgewekt, hoeven we op de langere termijn minder siliciumpanelen te gebruiken of steeds meer zonneparken te bouwen”, voegde Dr. Wang eraan toe.
De onderzoekers behoren tot de 40 wetenschappers die werken aan fotovoltaïsche energie onder leiding van hoogleraar hernieuwbare energie Henry Snaith van de natuurkundeafdeling van de Universiteit van Oxford. Hun baanbrekende werk op het gebied van fotovoltaïsche energie en in het bijzonder het gebruik van dunnefilmperovskiet begon ongeveer tien jaar geleden en ze profiteren van een op maat gemaakt robotlaboratorium. Hun werk heeft een sterk commercieel potentieel en heeft al geleid tot toepassingen in de nutssector, de bouw en de autofabricage.
Oxford PV, een Brits bedrijf dat in 2010 is voortgekomen uit Oxford University Physics van medeoprichter en wetenschappelijk hoofdmedewerker professor Henry Snaith om perovskiet fotovoltaïsche cellen te commercialiseren, is onlangs begonnen met de grootschalige productie van perovskiet fotovoltaïsche cellen in zijn fabriek in Brandenburg-an-der-Havel, vlakbij Berlijn, Duitsland. Dit is ’s werelds eerste volumefabriek voor ‘perovskiet-op-silicium’ tandemzonnecellen.
“We hebben oorspronkelijk gekeken naar Britse locaties om de productie te starten, maar de regering moet nog de fiscale en commerciële stimuleringsmaatregelen evenaren die in andere delen van Europa en de Verenigde Staten worden aangeboden,” zei professor Snaith. “Tot nu toe heeft het VK zonne-energie alleen gezien in termen van het bouwen van nieuwe zonneparken, maar de echte groei zal komen van het commercialiseren van innovaties – we hopen van harte dat het nieuw opgerichte British Energy hier zijn aandacht op zal richten.”
“De nieuwste innovaties op het gebied van zonne-energiematerialen en -technieken die in onze laboratoria zijn gedemonstreerd, kunnen een platform worden voor een nieuwe industrie, waarbij materialen worden gemaakt om op een duurzamere en goedkopere manier zonne-energie op te wekken door gebruik te maken van bestaande gebouwen, voertuigen en voorwerpen,” voegde professor Snaith eraan toe.
“Het leveren van deze materialen zal een snelgroeiende nieuwe industrie zijn in de wereldwijde groene economie en we hebben laten zien dat het Verenigd Koninkrijk innoveert en wetenschappelijk voorop loopt. Zonder nieuwe stimuleringsmaatregelen en een betere route om deze innovatie om te zetten in productie zal het Verenigd Koninkrijk echter de kans missen om deze nieuwe wereldwijde industrie te leiden,” voegde professor Snaith eraan toe.
Foto: Oxford University / Martin Small