Wat elementen betreft, staat silicium op de tweede plaats na zuurstof als het gaat om overvloed op aarde. Hiervoor en zijn eigenschappen als halfgeleider is het al lang de ruggengraat van de elektronica. Het materiaal zit in alles, van computerchips tot radio's. Het is tenslotte de naamgenoot van de hub van de moderne technologische industrie in Californië, Silicon Valley.
Over de zonnige tech-hoofdstad gesproken, silicium is het primaire element dat wordt gebruikt in zonnepanelen. Drie wetenschappers van de Bell Telephone Company van New Jersey hebben in de jaren vijftig patent op de allereerste silicium zonnecel - de eerste zonnecel die praktisch wordt geacht, met zijn vermogen om 6 procent van het invallende licht om te zetten in bruikbare elektriciteit. Sindsdien domineert het materiaal de zonnemarkt. Tegenwoordig bestaat meer dan 90 procent van de wereldwijd geproduceerde panelen uit kristallijn silicium PV-panelen.
Silicium heeft zoveel status en marktinvloed verdiend, met weinig concurrentie in de zonne-ruimte, dat weinigen weten dat er andere opties voor zonne-energie zijn.
Perovskieten, of kristallijne structuren, zijn een nieuw type zonnecel, gemaakt van gemeenschappelijke elementen zoals methylammoniumloodjodide. Perovskieten zijn gemakkelijker te produceren en kunnen zonlicht sneller in elektriciteit omzetten dan siliciumcellen. De uitdaging is dat perovskieten extreem kwetsbaar zijn.
Wetenschappers van Stanford University nemen echter een hint uit de natuur. Om perovskieten duurzamer te maken, hebben ze gekeken naar de veerkrachtige structuur van een vliegoog.
Het samengestelde oog van een vlieg bestaat uit honderden zeshoekige gesegmenteerde ogen, elk beschermd met een organisch "steiger" voor bescherming. De ogen zijn georganiseerd in een honingraatvorm, en als de ene faalt, werken de anderen nog steeds. Het hele orgel vertoont een redundantie en duurzaamheid die onderzoekers hopen te recreëren in zonnepanelen.
De onderzoekers zetten de steigers gevuld met perovskiet door breuk testen. (Dauskardt Lab / Stanford University) Reinhold Dauskardt en zijn technische groep voor materiaalkunde hebben een honingraatvormige steiger van slechts 500 micron breed gemaakt van standaard fotoresist of lichtgevoelig materiaal. Om nog een voorbeeld uit de natuur te lenen, net zoals een bij een honingraat creëert en deze vervolgens met honing vult, bouwen wetenschappers deze beschermende structuur en maken vervolgens de perovskiet erin. Ze draaien een oplossing van elementen in de steiger, voegen warmte toe en zien deze kristalliseren om de perovskietstructuur en zijn fotovoltaïsche eigenschappen te bereiken. De wetenschappers bedekken de zonnecel vervolgens met een zilveren elektrode om deze af te sluiten en zijn vermogen om energie op te vangen.
In een voorlopige laboratoriumtest behielden de zonnecellen van Dauskardt, die ongeveer zes breed zijn, hun structuur en functionaliteit. Bij blootstelling aan hoge temperaturen en vochtigheid (185 graden Fahrenheit en 85 procent relatieve vochtigheid) gedurende zes weken, bleven de cellen elektriciteit produceren op consistente niveaus. De steigers rondom de perovskieten schrikten ook niet af van hun elektrische vermogen.
Dit is een baanbrekende prestatie. Vóór deze innovatie was het voor onderzoekers heel moeilijk om fotovoltaïsche perovskietcellen te manipuleren en te maken, laat staan dat ze in de omgeving konden overleven.
"Toen ik in het begin lezingen gaf over organische fotovoltaïsche cellen, zou ik zeggen: 'als je op deze materialen ademt, zullen ze falen.' In het geval van perovskieten zeg ik 'als je ze bekijkt, zullen ze falen', grapt Dauskardt, hoofdonderzoeker van de nieuwe studie, gepubliceerd in Energy and Environment Science .
Perovskieten kunnen tot 100 keer brozer zijn dan glas. Maar met de steiger die wordt gebruikt om het te harden, neemt de mechanische duurzaamheid van de cel met een factor 30 toe. Het voegt zowel chemische als mechanische stabiliteit toe aan de cel, zodat onderzoekers het kunnen aanraken zonder te breken, en het blootstellen aan hoge temperaturen met een lagere kans op verslechtering.
Wanneer van onderaf verlicht, zijn de zeshoekige steigers zichtbaar in de gebieden van de zonnecel bedekt met een zilveren elektrode. (Dauskardt Lab / Stanford University) Onderzoekers van de Universiteit van Tokio verkenden in 2009 voor het eerst de perovskiet fotovoltaïsche cel als alternatief voor de fotovoltaïsche cel van silicium, en onderzoekers over de hele wereld sprongen het veld in. Perovskiet zonnecellen hebben zeker hun voordelen. In tegenstelling tot siliciumcellen, die verwerking op hoge temperatuur vereisen om te zuiveren en te kristalliseren, zijn perovskiet zonnecellen relatief eenvoudig te vervaardigen.
"Dit is een doorbraak in één deel van het perovskietonderzoek, omdat het problemen oplost waarmee vroege concepten worden geconfronteerd op weg naar commercialisering", zegt Dick Co, directeur operaties en outreach bij Argonne-Northwestern Solar Energy Research Center (ANSER). Dat gezegd hebbende, erkent hij dat de ontwikkeling niet universeel toepasbaar is op al perovskiet zonnecelonderzoek. Er zijn zoveel manieren waarop perovskieten zonnecellen kunnen worden gemaakt, en elk laboratorium heeft zijn eigen focus.
Omdat de kristallijne structuren uit verschillende elementen kunnen worden gemaakt, zijn er ook veel esthetische mogelijkheden. De zonnecellen kunnen worden uitgerust in ramen, autokappen of andere oppervlakken die aan licht worden blootgesteld. Sommige bedrijven drukken de cellen zelfs af.
Co vermoedt dat perovskiet zonnecellen aanvankelijk nichemarkten zullen beïnvloeden.
"Ik zag ze worden verkocht op iPad-opladers, geïntegreerd in gebouwen en misschien op auto's, zoals de gebogen motorkap van een auto, " zegt hij. "Maar het is moeilijk voor te stellen om een [prototype] perovskiet zonnecel te maken ter grootte van een miniatuur groot en breed toegepast, vooral wanneer silicium zonnefabrieken voldoende modules oppompen om kleine landen te bestrijken."
Met verbeteringen in efficiëntie en duurzaamheid zijn onderzoekers echter op weg om een cel gereed te maken om elektriciteit te produceren in veel omgevingen. De onderzoekers hebben een voorlopig patent aangevraagd.
In de nieuwe zonnecel wordt een hexagonale steiger (grijs) gebruikt om perovskiet (zwart) in microcellen te verdelen voor mechanische en chemische stabiliteit. (Dauskardt Lab / Stanford University) In de test van Dauskardt behaalden de cellen een efficiëntie van 15 procent, wat veel hoger is dan de eerste test in 2009 die 4 procent van het licht in elektriciteit omzet. De efficiëntie van siliciumpanelen ligt rond de 25 procent en in het laboratorium hebben perovskieten 20 procent bereikt. Onderzoekers schatten de theoretische efficiëntiecapaciteit van fotovoltaïsche perovskieten op ongeveer 30 procent.
Dauskardt denkt dat zijn team de steiger, oorspronkelijk gebouwd met goedkope, gemakkelijk beschikbare materialen, kan verbeteren om de efficiëntie van de cel te verhogen.
“We waren zo verrast dat we er zo gemakkelijk een konden maken. Nu is de vraag, zijn er betere steigers die we kunnen gebruiken? Hoe kunnen we het licht heroveren dat op de steigerwand zou vallen? ”Zegt Dauskardt. Hij en zijn collega's zijn van plan te experimenteren met materialen die lichtdeeltjes verspreiden.
Met het potentieel voor goedkope productie, relatief snelle commercialisering (schattingen van Dauskardt binnen de komende drie tot vijf jaar) en verbazingwekkend diverse toepassingen, kan de perovskiet-zonnecel misschien net het volgende geweldige zonnepaneel van de jaren 2020 en daarna worden.
Dus als die vlieg in je oor zoemt, wees gerust dat de natuur, in al zijn vormen, inspireert.
