Een nieuwe manier om de energie van de zon te gebruiken

Onderzoekers van Standford University hebben een nieuw proces ontwikkeld waarmee men zowel de warmte als het licht van de zon kan omzetten in elektriciteit. Met deze technologie kan het rendement om energie van de zon om te zetten in elektriciteit verdubbeld worden. Dit nieuwe proces heet "photon enhanced thermionic emission" ofwel PETE. De onderzoekers hebben een installatie ontwikkeld die kan geïnstalleerd worden op reeds bestaande installaties. Dit nieuw proces bevat het potentieel om ervoor de zorgen dat zonne-energie kan gaan concurreren met olie als energiebron. Bij het huidige proces waarmee energie van de zon omgezet wordt in elektriciteit met fotovoltaïsche cellen wordt het rendement lager naarmate de temperatuur van de zonnecellen toeneemt, maar bij het PETE proces is dit niet zo. Wanneer de temperatuur toeneemt bij het PETE proces dan neemt ook het rendement van de omzetting toe. Dit komt doordat het proces een combinatie is van de bestaande fotovoltaïsche cellen en met een thermische omzettingstechnologie.

Dit nieuw proces werd ontwikkeld door het verder uitbouwen van een ander toestel, namelijk een 'thermionisch-energie-omzetter'. Een thermionisch-energie-omzetter bestaat een warme elektrode of de kathode en een koele elektrode of de anode, deze twee bevinden zich heel dicht bij elkaar. De warme elektrode emitteert elektronen over een potentiële-energie-barrière naar een koelere elektrode. Deze verplaatsing van elektronen leidt dan tot het ontstaan van een elektrische stroom. Het proces waarbij de elektronen geëmitteerd worden van de ene elektrode naar de andere wordt ook 'thermionische emissie of het Edisoneffect' genoemd aangezien dit hetzelfde proces is die zich voordoet in een gloeilamp. De onderzoekers van Stanford University gebruikten een kathode die gemaakt is van halfgeleidermateriaal die gebruikt wordt in fotovoltaïsche cellen. Dus wanneer er zonnestralen op deze kathode invallen dan worden de elektrode van het halfgeleidermateriaal geëxiteerd net zoals dit gebeurt bij de conventionele fotovoltaïsche cellen. Dit gebeurt doordat dit een eigenschap is van deze halfgeleidermaterialen. Een geëxiteerd elektron wordt dan door thermionische emissie van de kathode naar anode geëmitteerd in de thermionische-energie-omzetter. Doordat het elektron al reeds geëxiteerd is door het halfgeleidermateriaal is er veel minder (thermische) energie nodig om de sprong te maken van de kathode naar de anode. Dit zorgt ervoor dat dit nieuwe toestel bij veel lagere temperaturen kan werken dan indien men een 'gewone' thermionische-energie-omzetter gebruikt zonder kathode uit halfgeleidermateriaal. Maar in vergelijking met de conventionele fotovoltaïsche zonnecellen kan dit nieuwe toestel veel efficiënter werken bij hogere temperaturen.

Maar bij PETE proces is het steeds zo dat er meer warmte gegenereerd wordt dan dat er gebruikt wordt door de thermionische-energie-omzetter. Daardoor is het mogelijk om de installatie verder uit te breiden zodat de restwarmte gerecupereerd kan worden en deze naar een warmtemotor te sturen. Op deze manier kan 50% van alle energie van de zon omgezet worden in elektriciteit. Dit rendement is heel wat hoger dat dat van de conventionele zonnecellen, die gemiddeld een rendement hebben rond de 15%. Dit rendement is opmerkelijk lager doordat bij de gewone zonnecellen meer dan de helft van het invallende zonlicht verloren gaat onder de vorm van warmte. De halfgeleider materialen in de gewone zonnecellen gebruiken enkel maar een beperkte reeks aan stralen die bepaalde golflengtes hebben uit het spectrum aan golflengtes van het invallende zonlicht. Andere golflengtes zorgen er dan enkel voor dat de zonnecellen opwarmen en deze warmte wordt verder niet meer benut. Er bestaat ook een andere manier om dit probleem uit de weg te helpen, namelijk door verschillende lagen halfgeleidermaterialen op elkaar te stapelen die elk een verschillende gamma aan golflengtes absorbeert en omzet in elektriciteit. Dit leidt er toe dat het mogelijk is om een breder spectrum aan golflengtes te gaan benutten. Op deze manier bekomt men dan een 'multijunction photovoltaic cell' en deze kunnen een rendement bekomen tot 40% maar ze hebben wel een vrij grote kostprijs.

Deze nieuwe technologie is werkelijk een conceptuele doorbraak, namelijk een vernieuwend energie omzettingsproces. Dit zorgt ervoor dat er talrijke mogelijkheden zijn om het te gaan toepassen. Een zeer goed teken is dat alle materialen op de installatie te gaan op bouwen vrij goedkoop en gemakkelijk verkrijgbaar zijn. Maar momenteel moet men de bouw van het prototype nog verder gaan uitwerken zodat men een praktisch en commercieel opbouw heeft. Zo testen ze momenteel verschillende halfgeleidermaterialen uit om te kijken welke het best geschikt is voor deze toepassing.

via [technologyreview]&[news.stanford]