Wetenschappers bouwen zonnecel met spinazie

Onderzoekers hebben een fotovoltaïsche cel ontwikkeld die gebruikmaakt van de fotosynthese-eiwitten van spinaziebladeren. De resulterende hybride 'zonnecellen' zouden al over enkele jaren geschikt kunnen zijn voor commercieel gebruik.

De wetenschappers van de Vanderbilt-universiteit in Nashville hebben een eiwit dat in groene planten verantwoordelijk is voor fotosynthese, gecombineerd met een silicium chip. Het eiwit, PS1, is bijzonder efficiënt in de conversie van zonlicht in elektriciteit; het rendement zou bijna honderd procent zijn. Vooralsnog zijn de onderzoekers alleen geslaagd in de bouw van een prototype, waarmee het hybride concept werd getest. Het prototype bleek beter te functioneren dan eerdere tests, waarbij het eiwit werd gecombineerd met halfgeleidermaterialen.

Zo genereerde de testopstelling vergeleken met eerdere combinaties een duizendmaal hogere stroom en ook de geleverde spanning bleek hoger. De onderzoekers willen, met geld dat door het Environmental Protection Agency beschikbaar wordt gesteld, een werkende zonnecel bouwen van de hybride 'spinazie-silicium-combinatie'. Ze maken de cellen door het eiwit uit spinazie te isoleren en op p-gedoteerd silicium aan te brengen. Na het verdampen van water bleef een 1 micrometer dik eiwitlaagje van ongeveer honderd PS1-eiwitten over.

Voordat dit een commercieel produceerbare zonnecel oplevert, moeten enkele problemen worden opgelost. Vooralsnog leveren de hybride cellen slechts 850 microampère per vierkante centimeter bij een spanning van 0,3V. Om met normale zonnecellen te concurreren, moet de opbrengst beter worden. Ook de levensduur is beperkt, maar inmiddels zou die al zo'n negen maanden bedragen. De onderzoekers denken in de komende drie jaar flinke vooruitgang te kunnen boeken.

Reacties (51)

[Verwijderd]

Het eiwit, PS1, is bijzonder efficiënt in de conversie van zonlicht in elektriciteit; het rendement zou bijna honderd procent zijn

Dat kan natuurlijk niet.
Dat is ver boven het theoretisch maximum wat mogelijk is.

[thoravatahr]

Hier wordt bedoelt dat bijna alle photonen worden omgezet in ladingsdragers/stroom. Technisch: de quantum efficiency is bijna honder procent.

De hoeveelheid energie die hier uit gehaald kan worden is lang niet zo hoog. Uit de gegevens van 0.850 mA en 0.3V blijkt dat het om maximaal 0.25% gaat (een normaal zonnepaneel haalt makkelijk 15%, het rendement van de "standaard"zonnecellen in labs is boven de 22%).

Het doel van zonnecellen is om zoveel mogelijk energie van de fotonen om te zetten in electrische energie, niet om zoveel mogelijk photonen om te zetten tegen weinig energie.

[Verwijderd]

Dat lijkt me niet mogelijk met zonlicht maar alleen met licht van 1 frequentie waarbij die frequentie dan bovendien precies is afgestemd op wat de eiwitcellen aankunnen.

[gjmi]

Zo nauw sluit het niet hoor. Je ogen zien ook niet rood groen en blauw van precies 1 frequentie. Je hebt niet voor elke bedenkbare frequentie een ander soort eiwit in je ogen.

Dit eiwit zal ook wel gevoelig zijn voor een wat breder frequentie gebied.

[Verwijderd]

De bandbreedte is uiteindelijk toch best small hoor. Je ziet maar van 400 tot 650nm... Dat is maar 250nm uitgesmeerd over drie verschillende fluorophoren. (ok, de rode en groene zijn vrijwel overlappend.)

Maar dat betekent dus wel dat je alles boven de 650nm weggooit! En dat is dus een behoorlijk groot deel van je zonlicht! (En idem voor lager dan 400nm...)


Het rendement zal dus inderdaad gemeten zijn voor de golflengte op de piek van het absorbtie spectrum, en niet voor een breed spectrum zoals de zon ons levert.

[MSalters]

Zo nauw komt het wel voor zonnecellen. Je ogen zien alle kleuren, ja, maar hebben een belabberd energie-rendement. Dat is ook het doel niet.

Het probleem met brede frequentiegebieden is dat de inkomende energie per foton varieert met de kleur van dat foton, maar de vrijkomende elektriciteit hangt af van de laagste frequentie waarvoor dit eiwit gevoelig is. Een blauw foton bevat meer energie dan een rood foton, maar een eiwit wat gevoelig is voor beiden haalt uit beiden evenveel energie.

Hoog-rendement zonnecellen zijn dan ook gebouwd uit meerdere lagen die elk op zich in een nauwe band werken, en bovendien doorzichtig zijn voor fotonen die naar diepere lagen moeten. Dat soort materialen zijn zeldzaam en duur.

[intraxi]

Het rendement van fotosynthese in plantencellen is 85% dus lijkt het mij niet juist een hoger rendement te veronderstellen. Zouden wij 85% rendement in zonnecellen kunnen realiseren dan is er wel sprake van een GROTE doorbraak. Ik ben sceptisch...

[Pep7777]

Wat ze waarschijnlijk bedoelen is de "quantum efficienty". Ofwel per hoeveel fotonen wordt er een electron geproduceerd. Bij groen licht is dat inderdaad 1-1 en naar rood toe wordt dat dan ongeveer 1 op 2. (http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pmc/articles/PMC431568/)

Waar jij aan denkt is waarschijnlijk het theoretisch maximum van silicium/standaard zonnecellen. En dan is dat volgens mij een beetje appels met peren vergelijken. Want spinazie zonnecellen leveren (voorzover ik uit dit artikel begrijp) toch echt minder energie op.

[gjmi]

Wat is dan theoretisch maximum mogelijk?
Volgens mij en Einstein wel degelijk 100%, theoretisch wel.
_Praktisch_ gezien is het met onze huidige commerciele technieken onmogelijk.

Het eiwit zet bijna 100% om (al lang geleden bewezen!), dan moet het nog van dat eiwit naar een bruikbare geleider (koper bv) daar gaat ook wel weer wat verloren. En het eiwit moet blijven bestaan, organisch materiaal vervalt, daar ligt de uitdaging.

[Reactie gewijzigd door gjmi op 26 juli 2024 01:51]

[Verwijderd]

Toch altijd weer een tegenvaller als een nieuwtje omtrent de natuurwetenschappen de frontpage haalt: vaak toch wel niet-kloppende dingetjes. Ook hier weer: een rendement dat de 100% benadert! Dat is helemaal niet mogelijk!

Jij (Einstein had hopelijk wel beter geweten) kan dan wel denken dat het "theoretisch" mogelijk is, de thermodynamica is het toch écht niet met je eens. En dan is het gewoon jammer, maar helaas. Tenzij het hier een reversibel proces betreft (wat niet mogelijk is, helaas), ben ik bang dat je áltijd wat warmte op zult wekken. En dat betekent een lager rendement.

Als je het hebt over de quantum-yield, dan zou het nog wel eens kunnen kloppen. Maar je bent nog *lang* niet klaar als je foton is geabsorbeerd .

[gjmi]

Niet het rendement van de zonnecel als geheel, nee dat gaat niet.
Het gaat hier over het rendement van het eiwit dat fotonen omzet naar elektriciteit. Niet wat er nog verder moet gebeuren om die elektriciteit te kunnen gebruiken

Het artikel klopt wel, maar als je het niet goed leest, lijkt het mooier dan het is.

maar misschien nog wat supergeleidend materiaal erbij, dan komen we al een eind, want dan gaat thermodynamica ook niet meer op

[Reactie gewijzigd door gjmi op 26 juli 2024 01:51]

[MSalters]

Nee, dat kan niet zo werken. Niet alle fotonen zijn gelijk, maar elk foton maakt maximaal 1 electron vrij. Als een rood foton dat kan, dan is de extra energie van een groen foton overkill en dus is er een rendementsverlies. Gebruik een materiaal wat alle energie uit een groen foton in 1 elektron stopt, en je haalt 0 elektronen uit een rood foton - weer verlies.

[Argantonis]

'Bijna honderd procent' is ook wat vaag natuurlijk, is dat 90% of 99.99%, dat scheelt.

[arjankoole]

[...]


Dat kan natuurlijk niet.
Dat is ver boven het theoretisch maximum wat mogelijk is.

Dat theoretisch maximum is volgens mij op basis van zonnecellen. Niet op basis van wat planten kunnen. Planten hebben miljoenen jaren kunnen evolueren tot iets wat zo efficiënt als mogelijk is. Het is prima mogelijk dat fotosynthese de 100% dicht nadert.

[mat.hi.as]

Maar misschien zaten ze er theoretisch wel naast...

[Keiichi]

Het redement zou bijna 100% zijn, maar de opbrengst is lager dan van huidige commerciele zonnecellen.

Als het rendement zo hoog zou kunnen zijn, waarom zou het nu nog ver onder de huidige rendementen zitten?

[Snippertje]

Opbrengst versus rendement. Nogal een verschil.

[Blitzdoctor]

Het omzettingsrendement van het eiwit is bijna 100%, maar dan moet je dat opgewekte stroompje nog oppakken en verwerken. Daar zit hem het probleem.

[pegagus]

Wat ik een beetje mis is wat nu helemaal het voordeel is van dit type panelen? Uiteindelijk een hele hoge opbrengst per m2? Of goedkoop te produceren?

[Marathir]

Waarschijnlijk is dit vooral een Proof of concept van de nieuwe manier van hybride technologie maken.

Op dit moment heeft dit nog geen voordelen, maar het uitvinden van het higgs boson zal ook nog een tijdje duren voor het voor de normale mens voordelen heeft.

Wat vooral uit dit artikel spreekt is dat dit een nieuwe manier is, die wellicht potentie heeft voor de toekomst.

[Verwijderd]

Op dit moment heeft dit nog geen voordelen, maar het uitvinden van het higgs boson zal ook nog een tijdje duren voor het voor de normale mens voordelen heeft.

???? Het Higgs deetje is niet uitgevonden, maar theoretisch vastgesteld dat het er moet zijn. (Overigens niet alleen door Higgs.) Vervolgens zijn er twee ploegen naar op zoek gegaan met deeltjesversnellers van zeer grote omvang. Die hebben bij de botsingen een deeltje gevonden waarvan ze bijna 100% zeker zijn dat het het Higgs deeltje is.
Toepassingen daarvoor zijn er niet, en komen er niet, het gaat om het begrip van hoe de wereld/het universum in elkaar steekt.

OT: De eerste nuttige toepassing van spinazie! (Schreef een spinazie hater.)
Ik voorzie flexibele oprolbare zonnecollectoren die ingezet kunnen worden bij tijdelijke onderkomens. Dus campings, vluchtelingenkampen, missies, en dat soort spul.
Goedkoop te produceren, maar niet al te lang veel opbrengst.

[Wceend]

ehm vergaat het niet gewoon op den duur het is tenslotte natuurlijk materiaal?
gaat het ook schimmelen en bederven of denk ik nu totaal verkeerd?

[gjmi]

Het materiaal is biologisch en gaat op 1 of andere manier kapot. Wat het ook is: bacterien, schimmels, door uv-straling.

Daar ligt ook een uitdaging, in het begin werkte het een paar dagen, tegenwoordig al driekwart jaar.

[AllesKan]

Vooralsnog leveren de hybride cellen slechts 850 microampère per vierkante centimeter bij een spanning van 0,3V.

0,85 mA x 10.000cm2 x 0,3V kom ik op 2,55W per m2

Dat mag dan inderdaad nog wel een paar tandjes beter...

[__fred__]

microampere... het is nog erger...

[MSalters]

850 uA is 0.85 mA, dus de som klopt wel.

[Empror1]

Het rendement van het in elektriciteit omzetten van de door het eiwit opgevangen zonlicht is bijna 100%. Dat geeft echter niet aan hoeveel 1 zo'n eiwit kan verwerken en of die verhouding blijft bestaan met het toegevoegde silicium.

De hoeveelheid elektriciteit die met 100 eiwitten verwerkt wordt is daardoor misschien nog vrij laag maar het kan zijn dat de wetenschappers later meer eiwitten per vierkante centimeter plaatsen of de chip en eiwitten efficiënter samen laten werken.

[Frank__B]

De grote vraag blijft natuurlijk, moeten dit soort zonnecellen concurreren met de huidige generatie zonnecellen? Eerlijk gezegd denk ik dat deze ontwikkelingen voor een heel aparte markt zijn van cellen die bijv. biologisch afbreekbaar (of tijdelijk gebruik) en veel goedkoper zijn.

850 µA voor 1 cm² is op zich niet verkeerd. Dit zou ideaal zijn voor die wegwerp LED tuinlampjes, die zijn ineens een stuk minder milieu vervuilend

[redtails]

9 Maanden stabiliteit voor een eiwit lijkt me een beetje aan de optimistische kant

In UV-rijke omgevingen waar het makkelijk >50°C kan worden (zoals elke zonnecel in de zomerzon), is die 9 maanden misschien toch niet te halen. Als dit probleem opgelost kan worden, krijg je een vrij cheape manier om toch heel veel zonnecellen te produceren

Of het rendabel is met de panelen die nu al op de markt zijn weet ik niet. Tegenwoordig betaal je al minder dan een euro per Watt met een levensduur van 10-15 jaar (90% behoud van productie) tot 20 jaar (80% behoud productie)...

[jur.]

bederft de spinazie dan gaan de lampen uit

[onkeltje]

De electriciteit zou wel eens heel duur kunnen worden.

Niet vergeten dat het nu een boerenprodukt is en die klagen altijd he ... dit jaar zal de electriciteitprijs stijgen omwille van de veel te lange winter.