Nieuwe techniek brengt zonne-energie met nanoantennes dichterbij

Onderzoekers van de universiteit van Connecticut hebben een methode ontwikkeld die volgens hen het rendement van zonnecellen drastisch verbetert. Daarmee zouden zonnepanelen een serieus alternatief voor fossiele brandstof kunnen worden.

De techniek, die door de professoren Brian Willis en Darin Zimmerman van de Connecticut-universiteit werd ontwikkeld, maakt gebruik van nanoantennes. Met de techniek kan het rendement van zonnepanelen, of correcter: de fotovoltaïsche cellen in die panelen, in theorie worden opgeschroefd tot zeventig procent. Zonnepanelen met traditionele enkellaagssiliciumcellen halen slechts ongeveer twintig procent. Dat is met collectoren of het gebruik van triple junction-cellen op te krikken tot omstreeks veertig procent, maar dat maakt de panelen een stuk prijziger en het rendement is nog altijd veel lager dan wat Willis met zijn techniek claimt te halen.

De fotovoltaïsche cellen van Willis en Zimmerman worden gemaakt met behulp van nanoantennes die licht absorberen en in gelijkstroom omzetten. Omdat ze gelijkstroom in plaats van wisselstroom leveren, worden ze ook wel 'rectenna', een combinatie van 'rectifier' of gelijkrichter en antenne, genoemd. De antennes bestaan uit twee delen die zo dicht bij elkaar gebracht zijn, dat een tunnel junction ontstaat die gevoelig is voor een bepaalde golflengte van licht. De rectenna's van de universiteit kunnen licht in een breed spectrum opvangen en converteren, wat aan het hoge rendement ten grondslag ligt.

De universiteit heeft een methode gevonden om rectenna's met de gewenste eigenschappen te produceren. Daarvoor wordt een techniek gebruikt die 'atomic layer deposition' genoemd wordt. Daarmee kunnen de nanoantennes met precisie gemaakt worden en kunnen de eigenschappen gewijzigd worden. Het team van Willis slaagde erin koperatomen op te dampen die de ruimte tussen de antennes tot slechts 1,5nm reduceren. Het team zoekt nog naar de juiste dimensies van de antennes en de ruimte tussen de antenneonderdelen. Het theoretische rendement is dan ook nog niet in de praktijk gerealiseerd, maar een prototype werd al wel gemaakt. Om hoge rendementen te halen, moeten de rectenna's echter nog een stuk kleiner gemaakt worden.

Reacties (35)

[knirfie244]

70% is erg knap, onmogelijk zelfs*. Dat is namelijk meer dan dat de Shockley–Queisser limiet toelaat met een oneindig aantal lagen en ongeconcentreerd zonlicht.

Het theoretische limiet van een oneindig laags zonnecel met ongeconcentreerd is namelijk 68%, met geconcentreerd licht groeit de limiet tot 86%. En uitgaande van een wat practischer aantal lagen: voor bijvoorbeeld de huidige triple-junction cellen is de limiet 63%. De Shockley-Queisser limiet is gewoon een hard fysisch gegeven, hier valt niet omheen te komen zonder de natuurkundige regels te buigen, dus ik vraag me af hoe ze die 70% willen behalen.


*Tenzij de achterliggende fysische werking van deze technologie niet gebaseerd is op semiconductor principes. In welk geval het volgens mij niet voldoet aan de beschijving "fotovoltaïsche cel".

@Avinator88 - Quantum Dots zou een oplossing zijn blijkbaar, toen ik nog wat meer betrokken was bij PV ontwikkeling was MEG met Quantum Dots nog pure theorie, blijkbaar zijn ze alweer wat verder gekomen in die paar jaar.

@Yngwie-
Anders lees je m’n hele bericht even. Die 86% meldt ik zelf ook, maar die is alleen mogelijk met geconcentreerd zonlicht. Dat zie ik als valsspelen bij het vermelden van PV efficiency, de SQ limiet is namelijk afhankelijk van de hoeveelheid zonlicht, bij de standaard 1000W/m² die je op aarde ontvangt is de limiet 68%. Als je het minimaal een 10x concentreerd tot 10kW (lens verliezen niet meegenomen) dan stijgt de limiet richting die 86%. Overigens als je lenzen gebruikt dan neemt de efficiëntie van de cel dus wel toe, maar die van je volledige zonnepaneel (in W/m²) neemt af.

[Reactie gewijzigd door knirfie244 op 27 juli 2024 13:35]

[Avinator88]

SQ-limiet telt naar mijn weten niet meer als er sprake is van "Multiple Exciton Generation", oftewel dat met 1 foton meerdere elektronen worden ge-exciteerd.

Edit:
Ik heb het even nagezocht. En het heeft minder met MEG te maken en meer met spectrum losses.
Een p-n junction levert een vaste bandgap op, waardoor een groot deel van het inkomend zonlicht verloren gaat. Blijkbaar zou dit materiaal geen vaste bandgap hebben, maar een bandgap die toepasbaar (of veranderd) is aan de energie van het inkomend photon. Dus weinig tot geen losses.

Daarbij denk ik dat het probleem van recombination ook een stuk minder is met koper, wat naar mijn weten een stuk geleidender is dan silicium.

[Reactie gewijzigd door Avinator88 op 27 juli 2024 13:35]

[mux]

Dat klopt helemaal, want deze techniek is ook niet halfgeleider-gebaseerd. Er wordt gebruik gemaakt van nanoantennes (ook wel bekend in deze toepassing als nanodots) waarmee fotonen niet door het fotoelektrisch effect worden omgezet naar elektronen, maar via een ander mechanisme. Theoretisch kun je al het invallende licht op die manier omzetten naar elektronen, en is de enige beperking op de efficiëntie het maximum power point als functie van het spectrum en de celspanning (hogere celspanning betekent dat je meer energie per elektron krijgt, maar een kleiner deel van het spectrum kunt vangen omdat fotonen met minder energie dan je celspanning niet worden omgezet, omgekeerd betekent lagere celspanning minder energie per elektron maar meer elektronen doordat je een groter deel van het spectrum krijgt).

edit: exact wat Avinator88 hierboven dus zegt

[Reactie gewijzigd door mux op 27 juli 2024 13:35]

[Yngwie-]

Om het artikel even aan te halen dat je qoute, daar staat anders toch echt in:

The Shockley–Queisser limit only applies to cells with a single p-n junction; cells with multiple layers can outperform this limit. In the extreme, with an infinite number of layers, the corresponding limit is 86% using concentrated sunlight

Oftewel met meerdere lagen is 70% echt niet onmogelijk

[SuperDre]

bedenk je altijd maar dat dit niet meer dan regels zijn die door mensen zijn opgesteld en getoetst zijn, al vaak genoeg dat die regels achteraf fout bleken te zijn.. ooi was de eereld volgens de deskundigen ook pkat, maar we weten inmiddels beter door beter inzicht...

[KleineJoop]

Steeds meer nieuwsberichten/ontwikkelingen op het gebied van zonnecellen, en de efficientie van zonnepanelen. Ik hoop dat deze techniek daadwerkelijk wordt doorontwikkeld om op grote schaal gebruikt te kunnen worden.

[ATS]

Inderdaad, maar nu nog echt efficiente energieopslag realiseren. Anders hebben we straks zodra de zon schijnt een enorm energieoverschot, terwijl we nog altijd kolencentrales paraat moeten hebben voor de momenten dat de zon niet schijnt... Volgens mij wordt energiebuffering het belangrijkste obstakel voor het echt grootschalig inzetten van duurzame energiebronnen.

[Reactie gewijzigd door ATS op 27 juli 2024 13:35]

[TMDevil]

Das vrij simpel, je neemt een groot meer boven op een berg, en overdag pomp je dat vol. Onderop een waterkrachtcentrale en 's nachts heb je energie.
Voorbeeldje: http://nl.wikipedia.org/w...trale_van_Coo-Trois-Ponts

[Fealine]

Nu eerst nog in nederland een grote berg bouwen met genoeg ruimte voor een stuwmeer

[styno]

Of een omgekeerde berg: een diep gat.

[webcamjan]

En waar in Nederland kunnen we dit. ? Die berg in de polder die men wilde maken.?

Ja maar in Noorwegen............

Ook de overige landen zitten met hetzelfde probleem he, die willen ook opslaan en Noorwegen zelf ook... dus ehhhh...

Opslaan prima, maar dan wel in eigen land, tevens voor garantie van het nationale net en eigen stroom voorziening. Als heel Nederland incl industrie zijn stroom ineens uit het buitenland trekt branden die kabels van de masten af hoor..

[RocketKoen]

Of energietransport.
Gewoon snachts het zonne-energie overschot uit Australië gebruiken.

[sjongenelen]

Daar heb je natuurlijk super veel rendementsverlies op

http://nl.wikipedia.org/wiki/Rendement_(energie)

[Teigetje!]

mogelijk maar met dit rendement zou dat nog steeds wel een valide optie kunnen zijn.

[flippy]

verlies heb je altijd, maar met HVDC en slim gebruik van de stroomproductie kan je aardig wat voor elkaar krijgen.

[Coolstart]

Er zijn wel een hoop bestaande technologiën die direct inzetbaar zijn al zal je idd wel een hoop energie verliezen bij de omzetting.

Zo kan je energie opslaan d.m.v. perslucht. Zeer goedkoop, maar een laag redement als je met het warmteverlies niets kan aanvangen.

Omzetten naar waterstof is ook een optie om baterijen met te voeden (fuel cell). Fuel cells verliezen ook redelijk wat energie door warmte.

Batterijen in een grid lijkt me de beste oplossing. Elk huis of bedrijf heeft een zonnepaneel + een batterij. Je kan energie afnemen van het net wanneer je dat wil. Bedrijven nemen tijdens de nacht energie af van een naburig batterijen netwerk. Het lijkt op die mannier hoe torrents werken.

- Een extreem redundant systeem
- Makkelijk om privé investeerders te vinden (lage instapprijs)

Energie van Australie gebruiken is technisch mogelijk maar praktisch moeilijk haalbaar denk ik. Nieuwe transporttechnieken gelijkspanning hebben een verlies van 3% per 1000km. 20.000 km is vrij veel als je het mij vraagt.

Een feit is wel dat we in de Benelux erg slechte opbrengst hebben wat zonnepanelen betreft, dus misschien is het wel denkbaar om van zuid-europa energie te transporteren naar hier, via de Atlantische oceaan en de Noordzee bijvoorbeeld. Dat is maar een goede 2000km.

In dat opzicht is prijs/kwh van een zonnepaneel belangrijper dan de opbrengst per oppervlakte, maar meestal gaat dat wel samen vermoed ik.

[434365]

Gaaf, was al benieuwd waarneer ze een nieuwe vorm van zonnecellen gingen maken, de platte vorm die we nu hebben was leuk voor rekenmachinetjes etc, nu willen 'we' er graag een die terwijl je rondrijd je auto oplaad En ja, slim om 'in 3d' te gaan denken, ze zullen ook meer rendement behalen omdat de fotonen die niet gebruikt worden zeer waarschijnlijk 'afstuiteren' naar een dichtbijzijnde antenne waar ze alsnog opgenomen worden.

Offtopic; Cool, krijgen we binnekort ook nieuwe ipads met 'rectenna' antennes?

[Reactie gewijzigd door 434365 op 27 juli 2024 13:35]

[KleineJoop]

Een toekomsige tablet-cover waarin zo'n paneeltje zit verwerkt zal een groot succes zijn.

[sjongenelen]

Dat maakt een interessante vraag:

Hoe erg kun je het oppervlak beschadigen (wat is beschadigen met zulke nano techniek) en hoe verwerk je dit dan in een handzaam apparaat.

Ik bedoel te zeggen; Deze technologie lijkt me niet afdekbaar met 'gorilla glass' zonder veel rendementsverlies.

Ofwel; Dit lijkt me geen consumenten cq handheld product, maar alleen next level energie opwekken op grote schaal

[djwice]

Als dit lijkt om de https://en.wikipedia.org/wiki/Nantenna dan vangt dit product bijvoorbeeld warmte af. Je kunt dan situaties bedenken als dat een vriezer, een koelkast en een airco stroom leveren in plaats van kosten.

Immers de golflengtes van nano antennes liggen rond het IR gebiedt.

Probleem tot nu toe was niet het produceren van de antennes of het bedenken van toepassingen. Probleem zit hem er in dat je de stroom uit de miljoenen nano antennes moet verzamelen tot een nuttige bron. Steven Novack is dat geloof ik nog niet gelukt (zie ook (pdf)).

[Reactie gewijzigd door djwice op 26 juli 2024 06:16]

[mcDavid]

Het gaat hier om "nanoantennes" dus ik neem aan dat het met het blote oog nog steeds een plat vlak lijkt, maar met de microscoop inderdaad duizenden sprietjes of wafers te zien zullen zijn.

Vooral interessant dat er koper gebruikt wordt in plaats van silicium. Niet dat koper nou zo goedkoop is maar de schaarste aan (geschikt) silicium voor zonnepanelen is op het moment de meest bepalende factor in de prijs!

[leuk_he]

het element silicium is simpel te winnen, dat is zand. Echter er is onvoldoende geinvesteerd in de produktie van zuiverigsinstallaties, Daarom is er een tekort aan zuiver silicium.

Dus voor de grondstof maakt het niet uit, er moet veel geinvesteerd worden in OF silicium of nano-koper (of waarvan de nano antennes ook gemaakt worden) .

[MathijsR]

Theoretisch 70%.. Moeten we dit als een hele theoretische maximum zien of als potentieel haalbaar doel? Mocht dit namelijk haalbaar zijn dan is dit wel een enorme stap in het gebruik van zonne-energie.

Echter als je zoveel meer energie per huis opvangt moeten de opslagtechnieken ook aanzienlijk verbeteren. Ook op kleinere schaal met mobiele apparatuur begint het zo interessant te worden..

[torp]

Met zo'n rendement is opslag bijna niet meer nodig...

[Aham brahmasmi]

Met zo'n rendement is opslag bijna niet meer nodig...

Het lijkt mij dat het redement 's Nachts toch richting nul zal dalen.

[blorf]

Het blijft afwachten wat de markt doet en hoeveel de overheid zich ermee bemoeit. Ik geloof er eigenlijk niets van dat er straks panelen komen die gaan concurrenen met energiebedrijven. Daar wordt echt wel een stokje voor gestoken. Let maar op, straks komen de grappen. Misschien wordt het gewoon wettelijk verplicht de energie uit je zonnepanelen af te staan aan het energiebedrijf met een prijsverschil waar onmogelijk voordeel uit valt te halen. Of een energie-accijns die iedereen in een klap terug bij af brengt. Dan krijg je mensen die vervolgd worden vanwege het bezitten van "illegale" zonnepanelen. I.i.g. zie ik het nog niet gebeuren dat iedereen compleet op zonne-energie stookt terwijl dat gezien alle vooruitgang in de nieuwsberichten al best eens haalbaar en rendabel zou kunnen zijn.

[rud]

De huidige zonnepanelen concurreren nu al met de energiebedrijven. Schaf je zonnepanelen aan dan heb je dat in 8 tot 11 jaar terugverdient. Daarna leveren ze gratis stroom.

In Belgie is er per 1 januari 2013 inderdaad een heffing voor bezitters van zonnepanelen http://www.standaard.be/a...elid=DMF20121206_00393570

En in Nederland is er meen ik al enige tijd een verplichting dat ieder nieuwbouwhuis minstens een elektriciteitsaansluiting heeft. Dus zelfs al zou je zelfvoorzienend worden d.m.v. accu's dan nog zal en moet je aan het elektriciteitsnet en daarvoor betalen (geen bron overigens, zijn er bouwkundigen in zaal?).

[SuperDre]

tja das toch simpel, je sluit gewoon zelf de externe electra af en zolang je niets afneemt, hoef je ook niets te betalen, hell je betaalt anders gewoon je rekening niet, sluiten ze het vanzelf wel af...

[ATS]

Als je niets afneemt, betaal je nog steeds het vastrecht voor de aansluiting. En als je niet betaalt, dan zijn er ook nog wel andere mogelijkheden dan afsluiten. Een deurwaarder bijvoorbeeld.

[rud]

Als je een huis laat bouwen moet de elektriciteitskabel, riolering en water aangesloten worden. Dat doen de nutsbedrijven echt niet voor niets. Ik weet niet wat de kosten nu zijn maar 10 jaar geleden kostte het riool en hemelafwatering alleen al ruim 1000 euro per stuk. Ook al ben je zelfvoorzienend in je elektra, dan nog zal je die aansluitkosten moeten maken voor de elektriciteitskabel naar je huis, de meter van de netbeheerder etc.

[Fealine]

Momenteel is het zo geregeld dat voor stroom opgewerkt op je eigen 'erf' geen belasting wordt betaald. Echter wanneer je deelneemt aan een project waarbij je een aandeel neemt in een 'eigen' wind molen, dan betaal je wel belasting over de opgewekte stroom aangezien de stroom getransporteerd moet worden naar je woning. Ook wanneer de wind molen op 100m afstand staat van je huis blijf je belasting betalen.

In de toekomst kan ik mij niet voorstellen dat je belasting gaat betalen over stroom die je zelf op wekt, dit is namelijk niet te controleren. Wat er hooguit gedaan kan worden is flinke belasting heffen op nieuwe zonne panelen.
De energie prijzen voor de 'gewone consument' zal alleen hoogst waarschijnlijk met een factor verhoogd worden ter compensatie voor inkomsten verlies van de energie maatschappijen en die worden dan de dupe. Wellicht dat er dan voor werkend nederland een extra sociaal energie premie wordt geintoduceerd die dit gaat compenseren.

Ik zie het in iedergeval wel zitten, momenteel is er nog weinig mogelijk ter vervanging van gas om je huis warm te stoken. Met deze rendementen kunnen we makkelijk overstappen op electrisch verwarmen en koken.

[Reactie gewijzigd door Fealine op 27 juli 2024 13:35]

[Bartjuh]

Om mensen met hoop op super-goedkope PV panelen binnenkort voor te zijn: dit is dus echt in den beginstadia van onderzoek. Reken zeker 15 jaar voordat het commercieel voor een fatsoenlijke prijs exploiteerbaar is. In Nederland is een Si PV installatie tegenwoordig prima rendabel, en met 6 to 10 jaar terugverdient. Ook zonder die 15% overheidssubsidie. Geen reden dus om iets uit te stellen

[Reactie gewijzigd door Bartjuh op 27 juli 2024 13:35]

[Fealine]

Meneer heeft aandelen in of zelf een bedrijf dat handeld in PV panelen en is bang voor omzet verlies?

Het onderzoek loopt al meer dan 10 jaar, in 2011 is er al een patent op verkregen en een werkend prototype gebouwd. Het is overduidelijk dat dit niet in 'den beginstadia van onderzoek' bevindt.

Het zal inderdaad nog wel even duren, maar ik verwacht eerder een termijn van 5 jaar dan 15 jaar.

[Reactie gewijzigd door Fealine op 27 juli 2024 13:35]

[Dobbelstein]

Ik was bij het woord rectenna even de weg kwijt, zonlicht is continu (heeft geen AC component) en er hoeft dus geen licht energie gelijkgericht te worden. Ik lees in wiki dat het gelijkrichten feitelijk was bedoeld om energie vanuit de ruimte op te vangen (vanuit reflecterende panelen) dat blijkbaar eerst in een AC microgolf frequencie moet worden getransformeert. zie: http://en.wikipedia.org/wiki/Rectenna. Ik moet dus aannemen dat het bombardement van elk foton word gezien als een single puls zoals het detecteren van straling in een Geiger Muller buis?? Ik dacht hier eigenlijk eerst aan meta-materiaal, maar dat is het dus niet. Dat hierboven word gesuggereert dat de huidige fotocellen van zonlicht wisselstroom produceren is onjuist, vandaar deze reactie.
Edit: ik zie in de laatste alinea van het artikel: "Theoretically we know it is possible, but we won’t know for sure until we make and test this device.” ofwel zien is geloven. Lage energie fotonen ( I.R.) on the spot transformeren in hogere energie fotonen kost i.m.h.o. energie.

[Reactie gewijzigd door Dobbelstein op 27 juli 2024 13:35]

[Anoniem: 75213]

Ik lees nou al jaren dat er weer een geweldige uitvinding is gedaan voor zonnecellen maar ik zie het nooit op de markt verschijnen. Het zal allemaal wel.