De volgende generatie: zonnecellen als bouwmateriaal

Op daken zitten steeds vaker zonnepanelen, die voor een lage prijs zonlicht omzetten in elektriciteit voor een huishouden of een bedrijf. Maar in de toekomst draag je zeer waarschijnlijk ook zelf zonnecellen. Ze zijn bijvoorbeeld verwerkt in de stof van je rugzak en laden je laptop op terwijl je loopt. Of je jas bestaat deels uit zonnecellen waardoor de batterij van je telefoon het veel langer volhoudt.

Wetenschappers van de TU Delft werken aan een nieuwe generatie flexibele zonnecellen. Daardoor kun je ze vrijwel overal in gebruiken. In kleding of in bouwmaterialen bijvoorbeeld. Dat is hard nodig, want om onze aarde te behouden moeten renewables de overhand krijgen in onze energiemix. Om dat te realiseren hebben we meer nodig dan de de ‘traditionele’ zonnecellen op daken die we nu kennen. Er is te weinig dakoppervlak in verhouding tot onze energiebehoefte. Je moet zonnecellen eigenlijk overal in kunnen verwerken om echt maximaal van duurzame energie gebruik te kunnen maken.

 

 

 

 

Olindo Isabella

 

 


“Je moet zonnecellen eigenlijk overal in kunnen verwerken om echt maximaal van duurzame energie gebruik te kunnen maken”


Zonne-energie krijgt de overhand in de energiemix

“Het is de volgende stap: zonnecellen worden niet alleen meer aangebracht op materialen, maar maken er onderdeel vanuit. Bijvoorbeeld door ze te verweven in stoffen of ze te gebruiken als gevel van een gebouw. Het bouwmateriaal zorgt niet alleen voor een stevige constructie, maar levert dan ook energie”, zegt assistent professor Olindo Isabella van de groep Photovoltaic Materials and Devices aan de TU Delft.
Het zorgt voor veel meer mogelijkheden, volgens de onderzoeker. “Er is in de toekomst een energiemix waarin onder meer getijdenstroom, warmtekrachtpompen en wind- en zonne-energie een grote rol spelen. Door het onderzoek naar flexibele, betaalbare en toch efficiënte zonnecellen krijgt zonne-energie daarin de overhand, verwacht ik. De zonnecellen van de toekomst kun je vrijwel overal gebruiken en zijn zeer efficiënt.”


“De zonnecellen van de toekomst kun je vrijwel overal gebruiken en zijn zeer efficiënt”


Flexibel materiaal

Waar en hoe ze straks worden gebruikt is het werk van ontwerpers. Zij bedenken straks de producten en zijn afhankelijk van wat wetenschappers, zoals Isabella, momenteel ontwikkelen. “Wij kijken nu naar varianten die betrouwbaar zijn en aangebracht worden op flexibel substraten. Zodat je ze kunt buigen zonder dat ze breken en ze genoeg elektriciteit opwekken.”
Isabella onderzoekt daarvoor het nieuwe materiaal barium disilicide. “Het is veelbelovend omdat het meer zonlicht absorbeert, dan het veel duurdere gallium arsenide. We verwachten een hoge efficiëntie te behalen van twintig procent. Bovendien kan het relatief goedkoop gemaakt worden.” 

Barium disilicide

Er zijn alternatieve materialen die licht absorberen, geeft Isabella aan. Maar die zijn in zijn ogen minder geschikt voor buigbare en flexibele toepassingen. “Zoals crystalline silicon dat weliswaar een hogere efficiëntie (potentieel meer dan 27 procent) heeft, maar niet zo buigbaar is als kledingstof. Er zijn ook andere thin-film varianten. Maar die zijn erg duur, niet stabiel of hebben een lage efficiëntie.”
Het aantrekkelijke van barium disilicide is volgens Isabella dat het eenvoudig op grote schaal gefabriceerd kan worden. “We gebruiken daarbij een bewezen techniek, die ook is toegepast om platte displays te maken. Deze technologie werkt goed en is op grote schaal in te zetten. Ik vind dat zeer waardevol, omdat we slim gebruik maken van bestaande kennis bij de productie. We bouwen daarop voort. Dat is ook nodig, want om nu op de zonnecellenmarkt te komen, moet je een aantrekkelijke prijs hanteren en op grote schaal fabriceren.”
Isabella kwam barium disilicide op het spoor, toen hij in een publicatie over Japans onderzoek las over het materiaal. “Ik viel van mijn stoel, zo verrast was ik. Het materiaal heeft uitstekende eigenschappen, omdat het zonlicht goed absorbeert en het geschikt is voor flexibele toepassingen. Maar we moeten nog wel meer onderzoek doen. We kijken bijvoorbeeld naar de invloed van zuurstof. Barium bindt zich daar graag aan en dat willen we niet. Daarom brengen we dunne laagjes aan om oxidatie tegen te gaan.”

Zonlicht is gratis energie

De afgelopen jaren is de technologie om licht om te zetten in elektriciteit flink goedkoper en efficiënter geworden, benadrukt Isabella. “Voor consumenten zijn zonnepanelen nu betaalbaar. Ze leveren energie en geld op.”
Omdat olie en gas opraken en vanwege hun CO2-uitstoot, verwacht hij dat we in de toekomst een energie-mix krijgen. Daarin worden allerlei vormen van opwekking gebruikt, bijvoorbeeld via windmolens of koude-warmteopslag. “Zonnecellen spelen in deze mix een cruciale en dominante rol, verwacht ik. Met name omdat ze steeds goedkoper worden, efficiënt zijn en we aan materialen werken die vrijwel overal toepasbaar zijn.”
De sky lijkt the limit, volgens Isabella. Zoals een weg waarin zonnecellen zitten. Die wordt nu al op verschillende plekken in de wereld beproefd. Ook ramen waar je niet alleen doorheen kunt kijken, maar die ook het zonlicht omzetten in elektriciteit worden al getest. “In de toekomst zien we overal dit soort toepassingen van zonnecellen. Ze vallen dan veel minder op dan de zonnepanelen, omdat ze verwerkt zitten in de producten en materialen. Zonlicht is gratis energie. We leren steeds beter hoe we er gebruik van kunnen maken.”

Traditionele zonnecellen

Olindo Isabella Assistant Professor Photovoltaic Materials and Devices aan de TU Delft onderzoekt ook andere zonnecellen. “Wij ontwikkelen crystalline silicon in samenwerking met onder meer de TU Eindhoven, ECN, Tempress en Levitech”, zegt hij. “In het Else Kooi Lab van onze faculteit demonstreerden wij al een efficiëntie van meer dan 21 procent op apparaten met een groot oppervlak. We doen niet alleen deze zonnecellen, maar kijken ook naar marktpotentie."

Tekst: Robert Visscher
Foto: Mark Prins