Ultradunne meerlagige zonnecellen op basis van nanogestructureerde materialen

Wetenschappers overal ter wereld besteden veel aandacht aan het verbeteren van zonne-energieomzettingssystemen. In een poging hun efficiëntie te verhogen en de kosten van directe productie van zonnepanelen zoveel mogelijk te verlagen, besloten wetenschappers van het Massachusetts Institute of Technology de weg te banen om de dikte van zonnecellen te verminderen.

Het nieuwe type panelen kan dergelijke oplossingen overtreffen en wat betreft de productie van elektriciteit per kilogram gebruikt materiaal, levert het alleen uranium op. Dergelijke panelen kunnen worden gemaakt van in vele lagen gevouwen vellen. grafeen of molybdeendisulfide, waarvan de dikte slechts één molecuul is (stapels monomoleculaire platen). Wetenschappers beweren dat deze benadering uiteindelijk de best mogelijke benadering voor de ontwikkeling van zonne-energie zal worden.

Jeffrey Grossman, universitair docent energie aan het Massachusetts Institute of Technology, zegt dat ondanks veel aandacht van wetenschappers die tweedimensionale materialen zoals grafeen onderzoeken, het potentieel van deze materialen voor gebruik in zonne-convertorsystemen de afgelopen jaren volledig is over het hoofd gezien. Het bleek dat deze materialen niet alleen goed zijn, maar ze zijn ook erg goed in het omgaan met de taak die eraan is toegewezen.

Op de lange termijn zullen twee lagen van één atoom dik, zoals gepresenteerd aan het Grossman-team, een efficiëntie van 1-2% geven, waarbij de energie van zonlicht wordt omgezet in elektriciteit. Het lijkt klein vergeleken met een efficiëntie van 15-20% traditionele siliconenelementenhet is echter belangrijk om te onthouden dat het resultaat wordt bereikt door materialen te gebruiken die duizenden keren dunner zijn dan tissuepapier.

Een tweelaagse batterij met een dikte van 1 nanometer is honderdduizenden keren dunner dan een gewone siliconen, dus door deze dunste platen in veel lagen te leggen, kunt u de gebruikelijke efficiëntie van zonnecellen aanzienlijk verhogen en overtreffen. Dit zal volgens de co-auteurs van Grossman aanzienlijke concurrentie creëren voor gevestigde technologie.

Waar gewicht van cruciaal belang is, zoals in ruimtevaartuigen, in de luchtvaart en in gebieden in ontwikkelingslanden waar de transportkosten aanzienlijk zijn, hebben dergelijke lichte elementen al een groot potentieel.

In vergelijking met het gewicht zullen de nieuwe zonnepanelen tot 1000 keer meer energie produceren dan conventionele batterijen. Tegelijkertijd overtreft de dunste van de conventionele technologie die tot nu toe is geproduceerd zonnecellen de nieuwe met 50 keer in gewicht.

Dit is niet alleen het gemak van transport, maar ook het gemak van installatie van panelen, omdat de helft van de kosten van hedendaagse zonnepanelen de kosten zijn van de ondersteunende structuur en het aansluit- en regelsysteem. Deze kosten kunnen aanzienlijk worden verlaagd door lichtere ontwerpen te gebruiken.

Bovendien is het materiaal zelf veel goedkoper dan silicium met de vereiste zuiverheid, die wordt gebruikt in standaard zonnecellen, omdat de platen zo dun zijn dat ze een zeer kleine hoeveelheid uitgangsmaterialen vereisen.

Dit is een indrukwekkend voorbeeld van hoe nanogestructureerde materialen de basis kunnen vormen voor het ontwerpen van de nieuwste energie-apparaten. De mechanische sterkte en flexibiliteit van deze dunne lagen zullen naar verwachting ook hoog zijn. Ontwikkelaars zeggen dat dit slechts het begin is van een nieuwe generatie materialen voor zonne-energie.

Enerzijds zijn molybdeendisulfide en molybdeendislenide die in dit project worden gebruikt slechts twee van de vele tweedimensionale materialen die hier mogelijk kunnen worden gebruikt, om nog maar te zwijgen over de verschillende combinaties voor gebruik samen.

Onderzoekers geloven dat veel materialen moeten worden bestudeerd en dat de voorwaarden voor reflectie al zijn geschapen. Wetenschappers kunnen deze materialen nu op een compleet nieuwe manier bekijken.

En hoewel er momenteel geen industriële methoden zijn om molybdeendisulfide en molybdeendislenide te produceren, is dit een gebied van actief onderzoek. Vervaardigbaarheid is een belangrijk probleem, maar dit probleem is oplosbaar.

Een bijkomend voordeel van dergelijke materialen is hun stabiliteit op lange termijn, zelfs in de open lucht, terwijl andere zonnematerialen een beschermende coating met zware glaslagen vereisen, wat ook duur is. In feite is er weerstand tegen blootstelling aan zowel ultraviolet licht als vocht, en dit maakt de nieuwe oplossing zeer betrouwbaar.

Voorlopig werk omvatte alleen computermodellering van materialen, maar nu probeert een groep wetenschappers de apparaten zelf te produceren. Natuurlijk is dit slechts het topje van de ijsberg, vanuit het oogpunt van het gebruik van tweedimensionale materialen om "schone energie" te produceren, zeggen wetenschappers.