Nieuwe zonnecellen bieden hoop voor het klimaat: Zonne-energie moet de aarde redden
In anderhalf uur krijgt de aarde meer energie van de zon dan we in een jaar gebruiken – en dankzij technologische doorbraken kunnen we die gaan benutten. Zonnecellen worden zo goedkoop en flexibel dat deskundigen er niet aan twijfelen: zonne-energie kan het klimaat redden.
Diep in de zon versmelten twee waterstofatomen tot een extreem energetisch lichtdeeltje, een foton, dat vervolgens aan zijn lange reis naar de aarde begint.
Als het balletje in een flipperkast zigzagt het foton naar de rand van de zon, die het pas na miljoenen jaren bereikt. Maar dan gaat het snel. In slechts acht minuten legt het foton de 150 miljoen kilometer naar de aarde af, waar het een zonnecel raakt.
Als je je mobiel oplaadt, gebruik je dus de fusie-energie die in het binnenste van de zon ontstaat – maar helaas is het maar weinig, want zonne-energie dekt slechts 5 procent van het wereldwijde elektriciteitsverbruik.
Als we optimaal gebruikmaken van de zon, kunnen we er 23.000 terawatt aan stroom uit halen, wat 5700 keer meer is dan het potentieel van waterkracht en 175 keer meer dan dat van windenergie – en wel 8000 keer meer dan de hoeveelheid stroom die de planeet nu gebruikt.
Daarom zullen we de komende jaren gigantische zonnecentrales zien verrijzen op het land en op zee, en in steden zullen nieuwe soorten zonnecellen – zichtbaar en onzichtbaar – hun intrede doen op de daken, gevels, ramen en auto’s.
De zon gaat aan kop
Zonne-energie is tientallen jaren achtergebleven bij wind- en waterkracht, maar daar komt nu verandering in. Momenteel haalt de capaciteit van zonnecellen die van windturbines in. Het Internationaal Energieagentschap (IEA) schat dat de zon vóór 2025 waterkracht voorbijstreeft.
Voorspeld wordt ook dat zonnecellen in 2027 de capaciteit van kolencentrales zullen overtreffen.
Zon haalt rechts in
Volgens prognoses zit de opwekking van zonne-energie de komende jaren sterk in de lift. Al in 2027 zal de capaciteit van zonnecellen (geel) die van fossiele brandstoffen als steenkool (zwart) en aardgas (groen) inhalen. Ook windenergie (donkerblauw) wint terrein, terwijl waterkracht (lichtblauw) minder zal bijdragen.
Dit komt vooral doordat de prijzen van zonnepanelen het afgelopen decennium zijn gekelderd, waardoor zonne-energie kan concurreren met andere bronnen.
In een rapport
van het International Renewable Energy Agency (IRENA) staat te lezen dat de kosten van stroom uit grootschalige zonnecelinstallaties van 2010 tot 2020 met 85 procent zijn gedaald, en het IEA meldde dat zonne-energie nu ‘de goedkoopste elektriciteit ooit’ levert.
Als we tien jaar vooruit kijken, zijn de mogelijkheden voor zonne-energie nog groter. Onderzoekers over de hele wereld ontwikkelen nieuwe soorten zonnecellen die energie kunnen oogsten op plaatsen waar gewone cellen – ook wel generatie 1 genoemd – dat niet kunnen.
Zonnecellen staan nog in de kinderschoenen
Generatie 1: Silicium was de doorbraak
Deskundigen noemen de zonnecellen van kristallijn silicium de eerste generatie. Hun kracht is dat ze efficiënt zijn en jaren meegaan. Hun zwakte is dat ze niet flexibel zijn en dat het veel energie kost om ze te maken.
Generatie 2: Nieuwe stoffen bieden flexibiliteit
Onder de tweede generatie valt de zonnecelfilm, die van verschillende materialen gemaakt kan worden. De film is flexibel en snel te produceren, maar heeft doorgaans een lager rendement en is minder duurzaam dan siliciumcellen.
Generatie 3: Organische cellen worden goedkoper
Zonnecellen van de derde generatie bestaan uit anorganische en/of organische stoffen. Een organische zonnecel is meestal een dunne en lichte folie die overal op aangebracht kan worden, goedkoop is en een hoog rendement oplevert.
Het voordeel van de zonnecellen van generatie 2 en 3 is dat ze dun en flexibel zijn en in korte tijd in grote hoeveelheden kunnen worden geproduceerd.
Zogeheten organische zonnecellen worden op een dunne film gedrukt in een aantal rollen, vergelijkbaar met de manier waarop we kranten drukken.
Organische zonnecellen kunnen worden afgedrukt op een millimeterdunne film. De methode is vergelijkbaar met de manier waarop kranten worden gedrukt.
De ontwikkeling van zonnecellen is echter niet het einde van siliciumcellen. Ze blijven de voorkeur genieten voor grootschalige zonnecentrales, met name omdat ze nog steeds het meest duurzaam en efficiënt zijn.
Tegenwoordig kunnen siliciumcellen onder optimale omstandigheden wel 23 procent van de zonne-energie omzetten in elektriciteit. Hun levensduur ligt tussen de 20 en 30 jaar, en al na 6-14 maanden hebben ze meer stroom opgewekt dan de energie die nodig is om ze te produceren.
De grootste zonneparken bevinden zich in verlaten plattelandsgebieden ver van de consument, maar dat hoeft niet zo te zijn: ze kunnen ook op het water staan.
In 2022 trokken sleepboten 12.000 zonnepanelen het grootste afgedamde meer van Europa in, Alqueva in Portugal.
Zonne-energie moet schoner worden
Cellen op siliciumbasis hebben echter ook een aantal zwakke punten.
Doordat ze zwaar en niet flexibel zijn, kunnen ze niet overal worden opgesteld. Dit levert bijvoorbeeld beperkingen op in stadsgebieden, waar veel dakconstructies te zwak zijn om ze te dragen.
De productie van de cellen kost veel energie, omdat het siliciummateriaal tot meer dan 1000 °C moet worden verhit om het te zuiveren en te laten kristalliseren.
Bovendien bevatten de cellen giftige stoffen, zoals lood, wat milieuproblemen veroorzaakt wanneer de cellen versleten zijn en vervangen moeten worden.
Generatie 2 kost minder materiaal en energie om te produceren, maar bevat veelal ook giftige stoffen als cadmium en arsenicum, en zeldzame en dure stoffen als tellurium, indium en gallium.
Maar generatie 3 zal deze problemen hopelijk oplossen.
Onderzoekers hebben besloten een andere richting in te slaan en organische zonnecellen te maken, die gebaseerd zijn op lange, koolstofhoudende moleculen. Deze zullen goedkoper, flexibeler en beter voor het milieu zijn dan vorige generaties.
Een onderzoeker van het Duitse Heliatek test de buigbare film van organische zonnecellen.
Het proces van de organische cellen verschilt in één belangrijk opzicht van dat van andere zonnecellen.
In een zonnecel op siliciumbasis kan een foton uit zonlicht vrij makkelijk een negatief geladen elektron losmaken uit de kristalstructuur. Tegelijk ontstaat er een positief geladen ‘gat’, en de ladingen gaan elk naar een elektrode in de cel, die zo van energie kan worden voorzien.
In een organische zonnecel is het moeilijker om twee ladingen te scheiden. In plaats van een kristalrooster bevat de cel een mengsel van twee organische stoffen, waarvan de ene de ‘donor’ en de andere de ‘acceptor’ wordt genoemd. De twee materialen trekken de ladingen in tegengestelde richting, met als resultaat een vrij elektron en een vrij positief gat.
Organische stoffen wekken elektriciteit op
De organische zonnecel is als een sandwich – twee elektroden zijn de boterhammen en het beleg bestaat uit een mengsel van twee koolstofgebaseerde stoffen die fotonen in zonlicht absorberen.
1. Foton creëert paren van ladingen
Wanneer een foton het materiaal in de zonnecel raakt, ontstaat een exciton, dat een vrij, negatief geladen elektron is met een bijbehorend positief geladen ‘gat’ eraan vast. Het exciton verplaatst zich in een willekeurige richting in de zonnecel.
2. Ladingen worden gescheiden
Het exciton stuit op een grens tussen de twee organische stoffen. De ene stof is een acceptor, die het elektron aantrekt, en de andere is de donor, die het positieve ‘gat’ aantrekt. Daarom splitst het exciton zich in tweeën.
3. Zonnecel wekt elektriciteit op
Het negatief geladen elektron gaat nu naar de ene elektrode, de anode, en het positieve ‘gat’ naar de andere elektrode, de kathode. Het ontstane spanningsverschil tussen de elektroden wordt als stroom afgetapt.
Wat organische cellen opleveren, hangt af van de werking van de donor- en acceptormaterialen. Door de constante ontwikkeling van de materialen is het rendement van organische zonnecellen wel verhoogd van 12 procent in 2012 tot 19,3 procent in 2022.
Daardoor hebben de organische zonnecellen nu hun weg weten te vinden naar de fabriekshal van de eerste fabrikanten.
Het Duitse bedrijf Heliatek loopt met de ‘krantendrukmethode’ voorop en weet 2 miljoen m2 zonnefolie per jaar te produceren.
De folie wordt vooral gebruikt op daken en gevels in steden, en is al op zeker 30 gebouwen wereldwijd aangebracht. Maar hij is ook toepasbaar op kleinere vlakken als bushaltes, auto’s en treinen.
De 2 millimeter dunne film weegt slechts 2 kilo per m2 en heeft een kleeflaag op de achterkant, waardoor hij op elk glad vlak is aan te brengen.
Het grote voordeel van de organische zonnecelfolie van Heliatek is dat die vrijwel niets weegt en op alle oppervlakken aan te brengen is.
Volgens CEO Guido van Tartwijk van Heliatek verbetert het bedrijf al zeven jaar de efficiëntie met 1 procent per jaar.
‘In ons massaproduct hebben we nu een efficiëntie van 8,5 procent, en hierbij houdt de ontwikkeling niet op. Sterker nog, de weg ligt open om de efficiëntie op te drijven tot 20 procent,’ legt hij uit aan Wetenschap in Beeld.
In Breña, Spanje, test het bedrijf de technologie op een windturbine. 221 m2 folie is erop uitgerold, wat een capaciteit geeft van bijna 10 kilowatt. Het voordeel is dat de windturbine al op het net is aangesloten, zodat er geen extra kabels naar de zonnecellen hoeven te lopen.
In Breña, Spanje, test Heliatek de organische zonnefilm op een windturbine. Er hoeven geen stroomkabels te worden gelegd als de zonnecellen op een bestaande elektriciteitsvoorziening worden gemonteerd.
Na zes maanden heeft de film al meer energie geproduceerd dan gebruikt is om hem te maken. In zonnige streken treedt dit al na twee maanden op, dus de film kan zich met zijn levensduur van 20 jaar meer dan 100 keer terugverdienen.
Bovendien is de productie van zonnecellen volledig vrij van zeldzame metalen en giftige stoffen.
Zonnecellen worden onzichtbaar
Organische zonnecellen kunnen onder meer een groot verschil maken in ramen.
Het lijkt onlogisch om zonnecellen in ramen te bouwen, maar onderzoekers van Michigan State University in de VS hebben organische zonnecellen gemaakt die alleen het infrarode en ultraviolette licht absorberen, dat wij niet kunnen zien, en die het zichtbare licht doorlaten.
Een raam bedekt met de onzichtbare zonnecellen is dus net zo transparant als een normaal raam.
Wetenschapper Richard Lunt heeft onzichtbare zonnecellen ontwikkeld die het infrarode en ultraviolette licht in de zonnestralen absorberen, maar zichtbaar licht doorlaten.
Materiaalwetenschapper Richard Lunt werkte eraan mee en was medeoprichter van het bedrijf Ubiquitous Energy, dat de transparante cellen nu in productie heeft. Ze worden inmiddels getest in ramen van een paar gebouwen verspreid over de wereld.
In het laboratorium haalde het bedrijf een rendement van 10 procent, maar Lunt is ervan overtuigd dat het nog beter kan.
‘De theoretische limiet voor één laag zonnecellen is 20,5 procent als we alleen de onzichtbare golflengten van het licht benutten. En door meerdere lagen in de cellen te combineren, kan dat worden verhoogd tot meer dan 35,’ legt hij uit aan Wetenschap in Beeld.
Lunt verwacht dat onzichtbare zonnecellen eerst zullen doorbreken in ramen op grote gebouwen, maar dat er binnen enkele jaren andere toepassingen volgen.
Zo kunnen de transparante cellen gebruikt worden in kassen en autoruiten, of ingebouwd worden in het scherm van een mobiel. Zo kun je je telefoon opladen met de fusie-energie van de zon, en het elektriciteitsnet volledig omzeilen.