Onderzoekers ontwikkelen een trechter voor zonne-energie

Ingenieurs van MIT zijn er in geslaagd om zonne-energie meer dan 100 maal de concentreren in vergelijking met een gewone zonnecellen. Dit onderzoek werd geleid door Michael Strano, Charles and Hilda Roddey Associate Professor of Chemical Engineering. Hiervoor maken ze gebruik van koolstoffen nanobuizen. Deze nanobuizen vormen eigenlijk een soort antennes die het zonlicht kunnen opvangen en de energie van het licht kunnen concentreren. Hiermee zou het dus mogelijk kunnen zijn om veel kleinere maar krachtigere zonne-cellen te kunnen ontwikkelen die veel meer energie opwekken dan de huidige. Dus in dit geval is het niet meer nodig om je dak volledig te bedekken met zonnepanelen. In de plaats hiervan kun je evenveel zonne-energie gaan opwekken met een veel kleinere zonnecel.

Koolstoffen nanobuizen, zijn in het kort uitgelegd, een opgerolde laag grafiet, die hol is vanbinnen. Deze nanobuizen hebben bijzondere elektrische en mechanische eigenschappen. Maar bij deze toepassing zijn vooral de elektrische toepassingen van belang. Zonlicht is een bepaalde vorm van elektromagnetische straling. Elektromagnetische straling is een voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische oscillaties (trillingen). Een elektromagnetische straling kan voor een waarnemer twee vormen aannemen, namelijk als een massaloos deeltje of als een golf. Als eerste de elektromagnetische golf, deze is een combinatie van een elektrisch veld en een magnetisch veld. Deze twee staan steeds loodrecht op elkaar. En het deeltje is de tweede soort verschijningsvorm van een elektromagnetische golf, dit is namelijk een foton. Fotonen vertonen zowel een golfkarakter als een deeltjeskarakter. Deze twee modellen zijn nodig om verschillende natuurkundige processen te kunnen verklaren. Het vermogen van straling is gelijk aan het aantal fotonen per seconden maar de energie per foton.

Deze antennes, gemaakt van koolstoffen nanobuizen, zorgen, wanneer ze gecombineerd worden met een zonnecel, dat de fotonen in het zonlicht opgevangen worden en geconcentreerd naar de zonnecel gebracht worden. De onderzoekers beschrijven deze nanbuizen als een trechter voor het zonlicht. En deze zouden niet alleen toegepast kunnen worden bij zonnecellen, maar ook bij andere toepassingen waar het noodzakelijk is om licht kunnen concentreren. Dergelijke toepassingen zijn bijvoorbeeld nachtkijkers of telescopen. Maar het grootste potentieel voor toepassingen voor deze technologie is uiteraard voor zonne-energie.

Zonnecellen wekken elektriciteit op door deze fotonen op te vangen en deze te laten botsen met de elektronen van het materiaal waaruit deze zonnecellen gemaakt zijn. Bij zo'n botsing, tussen een foton en een elektron, wordt de energie van het foton overgedragen aan het elektronen. Wanneer de overgedragen energie voldoende groot is, dan zal het elektron vrij kunnen bewegen doorheen het materiaal. Voordien was dit niet mogelijk omdat het zich in een vaste baan rondom een atoomkern bevond en het aangetrokken door die atoomkern met en bepaalde kracht. Maar die extra energie die het elektron krijgt van het foton via de botsing, zorgt ervoor dat het elektron deze kracht kan overwinnen. Dus hoe meer fotonen er invallen op de zonnecellen, hoe groter het aantal elektronen wordt die vrij kunnen bewegen doorheen het materiaal en uiteraard, hoe groter de opgewekte elektrische stroom.

Bij zonnepanelen, waar het zonlicht niet geconcentreerd wordt, wordt het aantal fotonen die invallen op het materiaal bepaald door de sterke van het zonlicht en door de grote van het oppervlakte van het materiaal die bestraald wordt. Men wil steeds zo'n groot mogelijk opwekking van elektriciteit, dus wil men zoveel mogelijk fotonen laten 'opvangen'. Aangezien men de sterkte van het zonlicht niet in handen heeft, is deze enigste optie voor een grotere opbrengst, een groter oppervlakte voor het opvangen van de fotonen van het zonlicht. Maar een groot oppervlak betekend uiteraard ook een grote kostprijs aangezien er dan meer materialen nodig zijn. Maar met deze antenne kan men veel meer fotonen gaan opvangen zonder dat de grote van de zonnepanelen veel groter wordt. Deze antennes fungeren dus als een trechter voor de fotonen.

Deze antennes zijn eigenlijk een soort vezelachtig touw, waarvan de vezels gemaakt zijn van koolstoffen nanobuizen. Dit touw is slechts 10 micrometer lang en bevat ongeveer rond de 30 miljoen koolstoffen nanobuizen. Toen de onderzoekers voor de eerste maal deze touwen maakte, werden deze gemaakt van dubbelwandige nanobuizen met verschillende elektrische eigenschappen en in het bijzonder met verschillende bandgap. De bandgap is de eigenschap die bepaald hoeveel energie het foton moet overdragen aan een elektron vooraleer het elektron in staat is om zich los te maken van de aantrekkingskracht van de atoomkern, zodat het vrij kan bewegen doorheen het materiaal. Maar aangezien het elektron nu zich verplaatst doorheen het materiaal, blijft er wel een soort gat achter, daar waar het elektron zich bevond voordat de botsing met het foton plaatst vond. Dat gat wordt een exciton genoemd. De grote van de bandgap is gelijk aan de grote van het verschil tussen de energieniveau's van het exciton en het geëxciteerde elektron (het vrij gemaakte elektron).

De antenne bestaat uit een binnenlaag en een buitenlaag. De binnenste laag van de antenne is gemaakt van nanobuizen met een kleine bandgap en de buitenste zijn die met een grote bandgap. Dit is belangrijk omdat excitonen liever van hoge naar lage energie niveau's 'stromen' en dus verplaatsen de excitonen zich van de buitenste laag naar de binnenste aangezien daar het energie toestand lager is doordat daar de bandgap kleiner is. Dus wanneer het zonlicht invalt op het materiaal, dan worden er elektronen geëxciteerd en ontstaan er excitonen. Dit gebeurt dus in de buitenste laag van de antenne. Maar de excitonen stromen naar het center van de antenne. En zo worden deze excitonen dus geconcentreerd in de kern van de antenne.

Strano en zijn team onderzoekers hebben wel nog geen fotovoltaïsche cel gebouwd die gebruik maakt van deze antenne. Maar dit zijn ze wel nog van plan zodat de werking van deze technologie aangetoond kan worden. Bij deze zonnecellen zou de antenne ervoor zorgen dat de fotonen geconcentreerd worden voordat de fotovoltaïsche cel deze omzet in een elektrische stroom. Dit kan gedaan worden door zo'n antenne te ontwikkelen maar dan bestaat de kern van de antenne uit het halfgeleidermateriaal van fotovoltaïsche zonnecellen. Gewone fotovoltaïsche cellen bestaan uit twee verschillende types halfgeleidermaterialen. Gewone zonnecellen zijn opgebouwd uit twee verschillende halfgeleidermaterialen. De overgang van het ene materiaal naar het andere zorgt ervoor dat de elektronen gescheiden blijven van de gaten of excitonen. Deze scheiding zorgt dat er een spanningsverschil ontstaat tussen deze twee materialen en ontstaat er een elektrische stroom wanneer deze twee verbonden worden met een extern circuit waardoor elektronen zich kunnen verplaatsen en zo kan men de elektrische stroom nuttig gaan gebruiken. Hier bij deze antennes is er zijn er dus ook twee verschillende materialen aanwezig, namelijk als eerste zijn er de koolstoffen nanobuizen. Deze nanobuizen bevinden zich rondom het twee materiaal, namelijk de kern van halfgeleidermateriaal. De overgang tussen deze twee materiaal zorgt er hier ook voor dat de elektronen gescheiden blijven van de gaten of excitonen. En dus verkrijgt men een elektrische stroom indien men een gesloten circuit maakt tussen langs de ene kant de koolstoffen nanobuizen en langs de andere kan de kern van halfgeleidermateriaal. Het rendement van een dergelijke zonnecel zou volledig bepaald worden door de eigenschappen van de gebruikte materialen.

Strano en zijn team zijn de eersten die er in geslaagd zijn om vezel van koolstoffen nanobuizen te ontwikkelen waarvan men de eigenschappen van de verschillende lagen van de vezel afzonderlijk vast kan leggen. Dit is nog maar sinds onlangs mogelijk, namelijk sinds dat er betere technologieën ontwikkeld zijn voor het scheiden van koolstoffen nanobuizen die verschillende eigenschappen hebben. Vroeger was de kostprijs van de productie van deze koolstoffen nanobuizen bijna onbetaalbaar. Maar deze kostprijs wordt steeds kleiner en kleiner, zeker in de afgelopen jaren. Maar sinds recent zijn er al heel wat chemische bedrijven die deze produceren in massa-productie en dit zorgt dat de kostprijs veel is afgenomen. Strano vermoedt dan ook dat in de nabije toekomst deze te koop zullen zijn voor zeer goedkope prijzen, vergelijkbaar met de huidige prijzen van kunststoffen. En dus als de extra kostprijs voor de koolstoffen nanobuizen zo laag zijn, dat deze verwaarloosbaar is ten opzichte van de prijs van de materialen voor de zonnecel, zoals het halfgeleidermateriaal.

via [web.mit]