Zonnepanelen bestaan nu al een tijdje, maar de materialen waaruit ze zijn gemaakt, maken dat ze niet in staat zijn om meer dan ongeveer een kwart van de energie van de zon om te zetten in bruikbare elektriciteit. Volgens MIT-berekeningen heeft een gemiddeld huis in het zonnige Arizona nog steeds ongeveer 574 vierkante voet aan zonnepanelen nodig (uitgaande van een efficiëntie van ongeveer 15 procent) om aan zijn dagelijkse energiebehoeften te voldoen. In koud en winterachtig grijs Vermont, zou hetzelfde huis 861 vierkante voet nodig hebben. Dat is veel betimmering.
Daarom hebben MIT-onderzoekers geëxperimenteerd met een geheel nieuw proces voor het omzetten van zonlicht - een proces dat gebruik maakt van extreem hoge temperaturen om de efficiëntie te verhogen. Als het op grote schaal werkt, kunnen we de komende jaren wild efficiëntere zonnepanelen zien, waardoor het spel mogelijk verandert voor zonne-energie.
"Met ons onderzoek proberen we de fundamentele beperkingen van fotovoltaïsche energieconversie aan te pakken", zegt David Bierman, een van de onderzoekers die het project leidde.
De technologie zet zonlicht om in warmte en zet de warmte vervolgens weer om in licht. Het proces maakt gebruik van een soort lichtconcentrator die een 'absorber-emitter' wordt genoemd, met een absorberende laag van zwarte nanobuizen met zwarte koolstof die zonlicht in warmte omzetten. Als de temperatuur ongeveer 1000 graden Celsius is (zo heet als lava van veel vulkanen, om je een idee te geven), stuurt een emitterende laag, gemaakt van fotonisch kristal, de energie terug als het soort licht dat de zonnecel kan gebruiken.
Een optisch filter reflecteert alle lichtdeeltjes die niet kunnen worden gebruikt, een proces dat 'foton recycling' wordt genoemd. Dit verhoogt de efficiëntie aanzienlijk, waardoor de cellen twee keer zo efficiënt zijn als de huidige standaard.
Passend heeft de technologie de bijnaam 'hete zonnecellen'. De cellen werden onlangs genoemd als een van de '10 doorbraaktechnologieën van 2017 van MIT Technology Review '. Editors bij de publicatie stellen deze lijst sinds 2002 jaarlijks samen. Dit jaar, de technologieën, van hersenimplantaten tot zelfrijdende vrachtwagens tot camera's die 360 graden selfies kunnen maken, "zullen de economie en onze politiek beïnvloeden, medicijnen verbeteren of onze cultuur beïnvloeden", aldus MIT Technology Review . "Sommigen ontvouwen zich nu; anderen zullen meer dan tien jaar nodig hebben om zich te ontwikkelen", zeggen de redacteuren. "Maar je zou ze nu allemaal moeten weten."
De zwarte koolstof nanobuisjes vormen de absorber-emitterlaag van het paneel. (MIT) De technologie is superieur aan standaard zonnecellen op een zeer basisniveau. Het halfgeleidermateriaal van standaardcellen, dat vrijwel altijd silicium is, vangt meestal alleen licht op van het violette tot rode spectrum. Dit betekent dat de rest van het zonlichtspectrum verloren gaat. Vanwege dit fundamentele probleem kunnen zonnecellen slechts ongeveer een derde van de zonlichtenergie omzetten in elektriciteit. Deze bovengrens, de maximale theoretische efficiëntie van een zonnecel, wordt de Shockley-Queisser-limiet genoemd. Zonnepanelen gemaakt voor thuisgebruik converteren over het algemeen veel minder dan de limiet van Shockley-Queisser, omdat de meest efficiënte materialen nog steeds extreem duur zijn. Maar met de hete zonnecellen kan deze limiet, die al meer dan 50 jaar bestaat, verleden tijd zijn.
Op dit moment hebben onderzoekers alleen een prototype. Het kan tien jaar of langer duren voordat we deze hete zonnecellen op de markt zien. Op dit moment zijn de materialen zo duur dat het moeilijk zou zijn om de cellen om te zetten in panelen van de grootte die nodig is voor commercieel gebruik.
"We zullen een hele reeks problemen met betrekking tot het opschalen van het apparaat moeten oplossen om daadwerkelijk bevoegdheden te genereren die nuttige oplossingen zijn voor mensen en hun problemen, " zegt Bierman.
Bierman en zijn collega's van het project, Andrej Lenert, Ivan Celanovic, Marin Soljacic, Walker Chan en Evelyn N. Wang, zijn optimistisch dat ze deze grenzen kunnen overwinnen. Ze hopen ook uit te zoeken hoe ze extra warmte kunnen opslaan voor later gebruik. Dat kan schone energie betekenen op de meest bewolkte winterdagen. Zelfs in Vermont.
