Cookies op Tweakers

Tweakers maakt gebruik van cookies, onder andere om de website te analyseren, het gebruiksgemak te vergroten en advertenties te tonen. Door gebruik te maken van deze website, of door op 'Ga verder' te klikken, geef je toestemming voor het gebruik van cookies. Wil je meer informatie over cookies en hoe ze worden gebruikt, bekijk dan ons cookiebeleid.

Meer informatie

Onderzoekers willen efficiŽntie zonnecel verdubbelen via quantummechanica

Amerikaanse wetenschappers hebben een prototype van een minuscule fotovoltaÔsche cel ontwikkeld die via een quantummechanisch proces in staat is om het rendement van zonnecellen aanzienlijk te verbeteren. Het bleek mogelijk ťťn foton twee elektronen te laten genereren.

De fotovoltaïsche cel die de wetenschappers hebben gemaakt, bestaat uit twee atomaire lagen van de anorganische verbinding wolfraamdiselenide (WSe2) en een laag van molybdeendiselenide (MoSe2). In deze experimentele fotovoltaïsche cel zagen de onderzoekers dat als een foton op de lagen wolfraamdiselenide komt, er een elektron vrijkomt dat zich vrij kan bewegen door het geleidende materiaal. Dat gebeurt ook bij normale fotovoltaïsche cellen, maar het materiaal van de Riverside-universiteit vertoonde interessante eigenschappen.

Op het punt waar de twee materialen in contact zijn, gaat het elektron over in het molybdeendiselenide. In die tweede laag krijgt het elektron een lagere energiestaat, waarbij de extra energie die vrijkomt bij de overgang, een tweede elektron in het wolfraamdiselenide bleek te kunnen genereren. Door een zwak elektrisch veld met een spanning van 1,2V toe te passen, beweegt het elektron naar het molybdeendiselenide. De energiestaat van elektronen in dat materiaal is lager dan in het wolfraamdiselenide, zodat het elektron energie kwijt kan raken, genoeg om een tweede elektron in het wolfraamdiselenide vrij te maken.

Dit zou werken omdat atomaire monolagen van de twee verbindingen gebruikt worden, waardoor quantummechanische effecten optreden. De elektronen die vrijkomen gedragen zich als golven, waarbij de diktes van de materialen de golflengte van de elektronen benaderen. Dat sluit de elektronen op, maar hoe dat exact leidt tot voldoende energie om een tweede elektron vrij te maken, is onduidelijk. Wel zouden mogelijk nog meer elektronen vrijkomen op het moment dat de temperatuur wordt verhoogd: de onderzoekers deden hun experimenten bij 340K, ongeveer 70 graden Celsius.

In reguliere zonnecellen genereert een foton in de regel slechts één elektron. Een verdubbeling daarvan zou betekenen dat er dubbel zoveel elektriciteit kan worden gegenereerd. Omdat de gebruikte materialen slechts de dikte van een atoom hebben, vrijwel transparant zijn en flexibel zijn, kunnen ze volgens de onderzoekers uiteindelijk bijvoorbeeld worden geïntegreerd in verf, zonnecellen of zelfs textiel.

Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Nanotechnology, onder de titel Hot carrier-enhanced interlayer electron–hole pair multiplication in 2D semiconductor heterostructure photocells.

Door

Nieuwsredacteur

60 Linkedin Google+

Reacties (60)

Wijzig sortering
Zou dit ook een toepassing kunnen vinden in (veel lichtgevoeliger) sensors voor in digitale camera's?
Die bestaan al in de vorm avalanche photo diode image sensors.
Ander principe dan hier beschreven maar het komt er op neer dat 1 foton 10000 elektronen genereert.
Zie hier:
http://news.panasonic.com...60203-13/en160203-13.html
Dat was ook mijn eerste gedachte. Je zou gevoeligere sensors kunnen maken met dit principe, door juist extra energie erin te pompen, voor situaties met weinig licht. Je hebt dan minder fotonen nodig om tot bruikbare elektrische signalen te komen.

Toepassing in zonnecellen voor energieopwekking is voorlopig zinloos, zolang er niet ook een massaproductie methode aan vast zit.
Ik vermoed van wel, maar met 70oC wordt het er wel een met een dik accupack ernaast. Astronomen zullen er vast heel blij van worden, militairen ook. Gaat wel even duren voor jij zo'n ding in je telefoon hebt.
Ik ben geen natuurkundige maar ik snap de doorbraak niet echt: klinkt alsof je oftewel veel energie stopt in 1 electron uit zijn baan te gooien oftewel weinig energie in 2 electronen. Dan levert je paneel toch niet meer energie op?
Dat is slechts ťťn van de punten van kritiek die ik op het stuk heb.

Het andere punt is dat WSe2 zowieso al een relatief lage efficiŽntie heeft. Met een absorbtie vermogen van slechts 5% en zelfs daar nog maar een efficiŽntie van 10% op praten we hier over een "verdubbeling" van 0.5% naar 1% terwijl andere materialen al richting de 20% of 30% gaan.

Als ze ditzelfde met Perovskiet of zelfs met Silicium of Galium gebasseerde cellen zouden kunnen doen dan heb je mischien iets zinvols. Maar met Wolfram gaat het geen zoden aan de dijk zetten.
Als ze ditzelfde met Perovskiet of zelfs met Silicium of Galium gebasseerde cellen zouden kunnen doen dan heb je mischien iets zinvols. Maar met Wolfram gaat het geen zoden aan de dijk zetten.
Voordat je een bepaald fenomeen aan kunt tonen moet je wel eerst weten dat het Łberhaupt bestaat. Als het makkelijker te demonstreren is in wolfraam, schrijf dan alsjeblieft een paper over wolfraam, dan kunnen we daarna verder zoeken in andere materialen.
Zou het niet mogelijk zijn om deze laag/technologie toe te passen om de elektronen uit 'gewone' zonnecellen nog even te verdubbelen? Op dit moment doen ze het vanuit licht, maar dit lijkt me een doorbraak in fundamentele kennis, hier is het laatste onderzoek nog niet over gedaan.
Ja en nee. Het hangt er van af waar je het electron voor gebruikt.
Als je een electron gebruikt om een molecuul te splitsen in 2 delen (batterij), gaat alle extra energie in de beweging van de twee delen zitten (overtollige energie wordt warmte).
Als je ťťn electron kan omzetten in twee, beide met genoeg energie om een molecuul te splitsen, heb je 2x zoveel energie opgeslagen (en minder warmte gegenereerd).
Ze hebben de term "efficientie" misbruikt. Allicht, als "het aantal elektronen" je doel is, heb je een dubbele efficientie in het aantal elektronen dat je vrijmaakt met een enkel foton.

Echter in zonnecellen wordt 'efficientie' gebruikt om aan te duiden hoeveel energie van het inkomende licht kan worden omgezet in energie. Een foton heeft een bepaalde hoeveelheid energie. Als je die volledig kan omzetten naar elektrische energie, wordt er gesproken van 100% efficientie. Het 'aantal elektronen' dat je daarbij maakt is geen maat voor de omgezette energie.

Oftewel, misbruik van een term die in photovoltaics altijd voor "efficientie van energie-omzetting" wordt gebruikt.
ook geen natuurkundige hier, maar ik geloof, correct me if im wrong, dat het aantal vrije electronen rechtstreeks verband houdt met de current van een systeem. Dus toename van 1 naar 2 vrije electronen levert een verdubbeling in stroom op. Het gaat er niet perse om dat ze weinig of veel energie hebben, maar dat ze vrij zijn. Maar nogmaals, ik weet het ook niet zeker :'D
Ik kan een hele hoge stroom maken zonder daar veel energie aan kwijt te zijn; laag voltage. Je hebt niks aan 'veel elektronen' als ze laag energetisch zijn.
Twee keer zoveel elektronen op een twee keer zo laag voltage = dezelfde energie.
Inderdaad.
Maar waar gaat die energie heen?

Als je energie gebruikt om een molecuul te splitsen en zo energie op te slaan (=werking van een batterij) dan wordt alle overige energie omgezet in warmte en warmte is niet bruikbaar.
Als je in plaats daarvan 2 electronen hebt die nťt genoeg energie hebben voor de splitsing van een molecuul, krijg je een stuk meer nuttige energie.

De crux zit hem erin dat 1 electron geen 2 moleculen kan splitsen, zelfs als hij daar wel genoeg energie voor zou hebben.
Klinkt allemaal zeer veelbelovend, maar die laatste zin klinkt als extreme clickbait.

Ze hebben het dus over een ongetwijfeld complex quantum-mechanisch proces van twee lagen die op extreem kleine afstanden met elkaar samenwerken om een extra electron vrij te maken op nota bene 70 graden in een spanningsveld... en dat stoppen we in verf of kleding.

Na (veel) extra research is dit misschien wel mogelijk, maar door dit nu zo te noemen komt het op mij over als een manier om de massa 'alvast' enthousiast te maken, maar ik heb moeite te geloven dat de onderzoekers zelf het idee hebben dat dit binnen afzienbare tijd gaat gebeuren.
Ik zie niet in wat dat met clickbait heeft te maken. Wat je bij dit soort experimentele wetenschappelijke 'vondsten' bijna altijd ziet is dat de onderzoekers natuurlijk ook vooruit denken en maar al te graag willen noemen waar dit uiteindelijk toe kan leiden. Logisch natuurlijk, anders blijft het wel heel abstract, en tenslotte willen ze ook wel dat hun onderzoek wat meer onder de aandacht komt. Ik zie niet in wat er mis mee is te noteren waar dit onderzoek uiteindelijk concreet toe kan leiden (volgens de wetenschappers zelf); als je dat niet noemt, dan mis je ook meteen een stukje relevantie van waarom dit nieuws interessant is. En volgens mij staat nergens dat ze denken dat dit allemaal binnen afzienbare tijd gaat gebeuren. We hebben het hier over een prototype op atomaire schaal, een experiment in het lab. Dat is nog ver verwijderd van een stabiele toepassing inclusief fatsoenlijke schaalbaarheid voor massaproductie.

[Reactie gewijzigd door Koekiemonsterr op 12 oktober 2017 13:31]

En niet te vergeten: er moeten zo nu en dan lovende persberichten uit om financiering voor je onderzoek te krijgen. Dat speelde al in Nederland toen ik studeerde, Amerikanen zijn daar helemaal overdreven in. Een Amerikaanse stagair op mijn afstudeerfaculteit bracht zijn resultaten altijd alsof hij eigenlijk de volgende Nobelprijs verdiende.
Klopt, dat is ook nog een punt dat sterk(er) speelt in de VS.
Als we de rentabiliteit van zonnecellen zo kunnen blijven verhogen kan dit het energieprobleem wel eens oplossen.
Omdat de gebruikte materialen slechts de dikte van een atoom hebben, vrijwel transparant zijn, en flexibel zijn, kunnen ze bijvoorbeeld worden geÔntegreerd in verf, zonnecellen of zelfs in textiel.
Een laagje verf op iedereen zijn dak, veel makkelijker dan dit gaat het niet worden.
Energieprobleem ? We hebben geen energieprobleem. Er is energie ZAT om ons heen. We hebben een finacieel/management probleem.
Kernenergie is helaas geen optie. De gevolgen zijn te groot wanneer het mis gaat en waar mensen werken worden nu eenmaal fouten gemaakt. Daarnaast is het afvalprobleem nog niet echt opgelost. (Diep wegstoppen en hopen dat er de komende 10.000 jaar niemand gaat graven vind ik geen oplossing.)

Kernfusie zou een oplossing kunnen zijn, maar dat is al meer dan 50 jaar een belofte voor over 30 jaar.
Maar een elektron heeft toch massa? Niet veel, maar wel een beetje. Hoe kan zo'n elektron zich dan als een golf gedragen? Wat gebeurt er dan met die massa?
Welkom in de wondere wereld van de kwantummechanica :)
Meer info kun je hier vinden.
Dat is nu quantumfysica. :)
Mooi al dat stof in die laserstraal, maar er mag wel eens gestofzuigd worden :).

[Reactie gewijzigd door teek2 op 12 oktober 2017 13:17]

Als ze dat zouden doen dan zie je de laserstraal niet meer...... En laat dat nou net wťl de bedoeling zijn. Als je de straal niet meer ziet kun je ook geen indrukwekkend filmpje meer maken :p
"Omdat de gebruikte materialen slechts de dikte van een atoom hebben, vrijwel transparant zijn, en flexibel zijn, kunnen ze bijvoorbeeld worden geÔntegreerd in verf, zonnecellen of zelfs in textiel."
En dat is waar de fantasie toeslaat. Dat de cellen uit een laagje wolfraamdiselenide en een laagje molybdeendiselenide van elk slechts ťťn atoom (molecule?) dik bestaan, lijkt essentieel voor de ontdekte werking. Het lijkt praktisch onmogelijk om verf of textiel te ontwikkelen dat die twee lagen op de vereiste manier opbouwt.
En dan is er nog het praktische probleem om er een rooster overheen te leggen en draden op aan te sluiten om de opgewekte stroom ook daadwerkelijk uit de cel te krijgen. En natuurlijk hoe kwetsbaar die twee dunne lagen bij gebruik in verf of textiel zijn.

Jammer dat dit artikel niet beschrijft of speculeert over hoe deze geweldige ontdekking in de toekomst kan leiden tot (veel) efficiŽntere zonnepanelen.
Je zou beide lagen van ťťn atoom dik alvast op elkaar kunnen zetten en als vlokjes in een oplossing/verf kunnen suspenderen (wat nu ook al met het verfpigment gebeurd; dat zijn deeltjes in een waterige oplossing).
Met het doorgeven van de electronen heb je een heel goed punt. Je moet al richting geleidende polymeren oid gaan, waarbij je verf dus een soort electrode is. Geleidende verf lijkt me echter een recept voor problemen.

Wellicht is dit onderzoek echter via een omweg veel makkelijker toepasbaar: laat 'normale' zonnecellen de fotonen omzetten naar hoog-energetische electronen en gebruik (de kennis van) dit materiaal om de elektronen 'nog effe' te verdubbelen in aantal.
Lees ik nu goed dat het bij hoge temperaturen mogelijk beter zou werken? Dat zou haaks staan op normale zonnepanelen die minder efficient worden bij hogere temperaturen.
neem ik dit bericht ook maar met een kilo zout
Waarom? De link naar het originele artikel (of, als je geen subscription hebt, naar de abstract) staat er gewoon bij.

Op dit item kan niet meer gereageerd worden.


Apple iPhone X Google Pixel 2 XL LG W7 Samsung Galaxy S9 Google Pixel 2 Far Cry 5 Microsoft Xbox One X Apple iPhone 8

© 1998 - 2017 de Persgroep Online Services B.V. Tweakers vormt samen met o.a. Autotrack en Hardware.Info de Persgroep Online Services B.V. Hosting door True

*