Deze video wordt u aangeboden door Brilliant. Er is altijd de belofte van een grote
doorbraak die alles gaat veranderen. Welnu, wetenschappers hebben zojuist het
efficiëntierecord van zonnepanelen verbroken en het zou een grote verandering kunnen betekenen voor de toekomst van hernieuwbare energie.
Dit is niet alleen meer een hype, maar een teken van waar de zaken vandaag staan ​​en naartoe gaan.
Dit is echter niet het enige grote nieuws over zonne-energie uit 2022. Er zijn ook
veel recente ontwikkelingen geweest, van perovskieten tot organische zonnecellen,
dus wat betekent dit voor jou en mij? Eens kijken of we hierover een besluit kunnen nemen.
Ik heb de afgelopen jaren veel nieuws over zonnepanelen behandeld,
evenals mijn ervaring met mijn eigen zonnepanelen op mijn huis.
Zonne-energie is praktisch de grootvader van de familie van hernieuwbare energie, en met een goede reden:
er is letterlijk elke dag een grenzeloze energiebron die op ons schijnt, wachtend om te worden
benut. Slechts één uur stroom van de zon is meer dan de hele wereld in een jaar verbruikt! Daarom
ben ik er zo door gefascineerd, maar het grote nadeel is dat we niet al die energie kunnen vangen.
In die zin laten veel mensen opmerkingen achter die in feite zeggen:
"zonnepanelen zijn niet efficiënt genoeg", en hoogstwaarschijnlijk "nooit zullen zijn". Die manier van denken
verbaast me altijd omdat de technologieën die we vandaag allemaal als vanzelfsprekend beschouwen de doorbraken
van tien jaar geleden waren, dus de doorbraken van vandaag zijn waar het naartoe gaat.
In de afgelopen paar maanden hebben we een aantal opwindende ontwikkelingen op het gebied van zonne-energie gezien, op
sommige waar we al bijna tien jaar op wachten. Dus als je hebt gewacht op de juiste
benchmark, misschien een doelefficiëntie, of het juiste type materiaal om commercieel te
gebruiken, is je wachttijd misschien voorbij, maar laten we ook enkele van de interessantere updates
doornemen als enkele van de valkuilen en wat het voor ons betekent.
Eerst moeten we het hebben over een aantal van de grootste nieuwtjes op het gebied van zonne-energie,
en dat is het feit dat het National Renewable Energy Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie
zojuist een nieuw zonnecelrendement van 39,5% heeft neergezet. Dit werd bereikt onder vergelijkbare
lichtomstandigheden als de zon, wat een grote verandering is ten opzichte van het laatste wereldrecord.
Eerdere experimentele zonnecellen lieten in 2019 een toprendement van 47,1% zien,
maar dat was alleen bij blootstelling aan extreem geconcentreerd licht.
Dus hoe hebben ze het gedaan? In plaats van meer licht toe te voegen (zoals het laatste record deed),
gebruiken de recordbrekende cellen van NREL omgekeerde metamorfe multijunctie (IMM) cellen. Deze cellen
hebben drie op elkaar gestapelde lagen, elk gemaakt van een ander materiaal: gallium indium
fosfide bovenop, gallium arsenide in het midden en gallium indium arsenide op de bodem. Elk
wordt geweekt in een ander bereik van lichtgolflengten, waardoor de cel meer energie van het
hele lichtspectrum kan opvangen. Je kunt ook driehonderd "kwantumbronnen" in de middelste laag vinden,
wat de sleutel was om de nieuwe efficiëntie van deze cellen te ontgrendelen Deze putten vergrootten de bandgap
in de cel, waardoor de hoeveelheid licht die de cel in totaal kon absorberen toenam.
NREL is niet de enige die erin is geslaagd meer energie uit te persen door hun zonnecelontwerp aan
te passen. Een team onder leiding van de Universiteit van Surrey verhoogde de hoeveelheid energie die door
hun flinterdunne fotovoltaïsche panelen werd geabsorbeerd met 25%. De panelen zelf zijn slechts één micrometer dik,
maar ze zijn gemaakt met een honingraatachtige laag die lichtabsorptie mogelijk maakt. In siliciumcellen wordt
bijna ⅓ van het licht dat op de cel valt, gewoonlijk weerkaatst, maar het gestructureerde ontwerp van
deze dunne fotovoltaïsche cellen vangt het licht in de zonnecel op om de efficiëntie te verhogen.
Dit ontwerp is geïnspireerd door de natuur -- vlindervleugels en vogelogen
doen dit al tot op zekere hoogte. In het lab zag het team absorptiesnelheden van 26,3 mA/cm2, een
stijging van 25% ten opzichte van het vorige record van 19,72 mA/cm2 in 2017.
De efficiëntie is ook niet slecht: deze cellen hebben een efficiëntie van 21 %,
met de verwachting dat verdere aanpassingen dat aantal hoger zullen duwen,
mogelijk zelfs hoger dan andere commercieel beschikbare fotovoltaïsche systemen.
Zonnepanelen gaan meestal hand in hand met silicium (dat wordt gebruikt in 95%
van de panelen in de huidige markt), maar er is een aanhoudend baken aan de horizon
van de zonnewereld: perovskieten. Ik heb deze in eerdere video's aangeraakt.
Perovskieten zijn een groep synthetische materialen die worden gedefinieerd door hun kristallografische
structuur. Over het algemeen coaten ze gemakkelijk oppervlakken, wat betekent dat ze op
zichzelf of in combinatie met andere technologieën (zoals onze bestaande kristallijne siliciumcellen) in cellen kunnen worden gebruikt.
Deze perovskiet-halfgeleiders kunnen het energierijke blauwe spectrum van zonlicht
omzetten in energie, dus wanneer ze samen met siliciumsubcellen worden gebruikt,
kunnen we efficiëntiepercentages tot 30% behalen (vergeleken met 25% in perovskietcellen met één junctie).
Perovskieten zijn bedoeld als het gouden trio: goedkoop te produceren, concurrerend efficiënt
en dun en licht genoeg om praktisch overal toe te passen. Daarom hebben onderzoekers
er alles aan gedaan om ze op de markt te krijgen, maar er waren een paar logistieke
hindernissen voordat perovskieten konden proberen siliciumcellen een run voor hun geld te geven.
Het eerste probleem is een van de grootste hindernissen van perovskiet: de duurzaamheidsfactor. Het
dunne en lichte karakter van perovskietcellen is een voordeel, maar het betekent ook dat ze kwetsbaar zijn, wat niet geweldig is
voor een materiaal dat bestand is tegen regen, zon, hagel en alles
daartussenin. Monsters gingen vroeger kapot voordat onderzoekers zelfs maar door het laboratorium konden komen om getest te worden! Als
de monsters niet in het laboratorium kunnen worden gehanteerd, zijn ze niet bestand tegen de incidentele hagelbui of
spanningen die in de echte wereld worden uitgeoefend door windbelasting en torsie op het frame van het zonnepaneel.
Gelukkig hebben ze sindsdien een lange weg afgelegd. Een studie uit april wees uit dat organometaalverbindingen
kunnen worden gebruikt als additief om de levensduur, efficiëntie en stabiliteit van de cellen te helpen verbeteren. De
verbeterde cellen behielden 98% van de oorspronkelijke 25% energieconversie-efficiëntie van de cel
na 1500 uur gebruik, en ze slaagden ook met vlag en wimpel voor de vochtige hittestabiliteitstests.
Onderzoekers zijn ook dieper ingegaan op waarom perovskiet werkt zoals het doet, zowel de goede als
de slechte. In mei 2022 gebruikten wetenschappers van de Universiteit van Cambridge en het Japanse Okinawa Institute of
Technology (OIST) beeldvormingstechnieken om de structuur van perovskietfilms op
nanoschaal te observeren, vooral wanneer licht de film daadwerkelijk raakt. Ze vonden een van de boosdoeners
achter het beruchte fotodegradatieprobleem van perovskiet: nanoscopische valclusters. Dit zijn
defecten in het materiaal die als holtes van de celverwerking naar voren komen, waardoor
de film uiteindelijk minder efficiënt en structureel kwetsbaar wordt. De belangrijkste manier om deze efficiëntiebeperkende
carrier traps te bestrijden is om ze tijdens het fabricageproces te verwijderen door middel van zorgvuldige afstemming
van het structurele en chemische ontwerp. Maak deze aanpassingen grootschalig vriendelijk en je hebt
een recept om meer van deze films te maken en ze tegelijkertijd beter te maken in de uitvoeringsafdeling.
Wat als het maken van nieuwe zonnecellen net zo eenvoudig was als het printen van een krant?
Dat is wat de producenten van organische energiecellen hopen te bereiken,
en vanaf nu zijn ze klaar om deze technologie op de wereldwijde markt te brengen.
Organische energiecellen worden gemaakt door fotovoltaïsch materiaal op flexibele materialen
zoals plastic platen te printen. Deze flinterdunne zonnecellen zijn volledig samengesteld uit organische materialen:
flexibel, lichtgewicht en snel te vervaardigen met printtechnologie
(hetzelfde proces als het drukken van kranten!) Ze kosten de helft minder om te maken dan op silicium gebaseerde cellen,
en ze zijn ook 100X lichter. Elke vierkante meter weegt minder dan 2 kilogram,
en dat zal in 2023 waarschijnlijk dalen tot 1 kilogram.
In tegenstelling tot siliciumcellen, daalt hun conversie-efficiëntie niet bij gebruik binnenshuis, wat
ze extra aantrekkelijk maakt voor apparaten zoals slimme luidsprekers, sensoren, en andere wearables die mogelijk
niet veel direct zonlicht te zien krijgen. Dit maakt gebruik van bestaand omgevingslicht,
waarbij een deel ervan wordt omgezet in elektrische stroom, waardoor de belasting van kleine batterijen en oplaadapparaten wordt verminderd.
Het rendement laat met 10% te wensen over,
maar deze cellen kunnen ook zo'n 20 jaar worden gebruikt, wat de huidige
levensduur van perovskiet al in de schaduw stelt (daarover later meer). Naarmate meer bedrijven de productie beginnen op te voeren, heeft
die massaproductie het potentieel om de kosten te halveren.
Deze "print-to-order" zonnecellen beginnen op wereldschaal op de markt te komen.
Duitse startup Heliatek start al dit jaar met massaproductie van organische zonnecellen
, met als doel 600.000 vierkante meter te produceren (en een maximale productiecapaciteit
van 1,1 miljoen vierkante meter per jaar!) Braziliaanse startup Sunew heeft ook deze organische
cellen in productie , die tot nu toe meer dan 10.000 vierkante meter organische zonnecellen produceerde
voor daken van voertuigen (aangezien ze grote fans van elektrische voertuigen zijn). Het Zweedse
Epishine heeft afgelopen december zijn miniatuur zonne-oogstmodules op de markt gebracht,
met een energieomzettingspercentage van 13% en een levensduur van 10 jaar. Deze kunnen worden gebruikt
voor temperatuur- en vochtigheidssensoren, brandalarmen, kaartlezers en andere kleine maar
belangrijke apparaten die vaak op de achtergrond opgaan. En dan heb je Ricoh in Japan,
beginnend op kleinere schaal. Ze produceren slechts 100 vierkante meter per jaar, maar dat is genoeg om
50.000 kleine slimme apparaten van stroom te voorzien, van wearables tot veiligheidssensoren in tunnels en bruggen.
Zelfs deze koele cellen hebben ruimte voor verbetering, en onderzoekers hebben
twee belangrijke ontwikkelingen gevonden met het potentieel om organische cellen echt te helpen die vonk te vangen.
Zet je schrap, we worden hier echt nerdy. Laten we het hebben over chiraliteit.
DNA (en andere helixvormige moleculen) worden als chiraal beschouwd. Dat ontwerp is overal
in de natuur en het is de sleutel tot praktisch alles, van onze genetische samenstelling tot fotosynthese.
Ze zijn asymmetrisch en terwijl elektronen door de structuur gaan, scheiden ze ladingen
die door het licht worden gecreëerd (wat betekent dat licht efficiënter kan worden omgezet in biochemicaliën).
Nu blijven moleculen meestal bij hun eigen structurele kliekjes … het is een
beetje zoals de middelbare school … (chiraal met chiraal, achiraal met achiraal,
enz.). Onderzoekers van de Urbana-Champaign van de Universiteit van Illinois ontdekten echter dat wanneer
ze achirale geconjugeerde polymeren met een oplosmiddel aanbrachten, de oplossing uiteindelijk verdampte
om opnieuw samengestelde polymeren achter te laten: meer specifiek, helixen, ook wel chirale structuren genoemd.
Van achirale naar chirale structuren gaan is een behoorlijk groot probleem,
vooral als het gaat om het toepassen van het idee op organische zonne-energie. In theorie kunnen
wetenschappers die chirale structuur (en alle energieproducerende goedheid die daarbij hoort
) toepassen op materialen die normaal gesproken achirale geconjugeerde polymeren nodig hebben om te functioneren, zoals zonnecellen.
Ten tweede, laten we het hebben over ieders favoriete onderwerp: geperfluoreerde zwavelzuurionomeren.
(Nee? Alleen ik?) Laat het me uitleggen: om volledig bedrukbare organische zonnecellen te maken,
heb je gatentransporterende materialen nodig. Dat is een gat, niet heel ... je moet van de Engelse taal houden.
Dit zijn kortweg HTM's. Een van die veelbelovende HTM is PEDOT:PSS, een geleidend polymeercomplex
dat wordt gebruikt om afdrukbare apparaten te maken. Het bestaat al sinds de jaren negentig,
maar het schiet vandaag tekort. Helaas verspreidt het zich in water en is het erg zuur,
wat de efficiëntie en stabiliteit van de op PEDOT:SS gebaseerde zonnecellen kan beïnvloeden.
Om dit tegen te gaan, hebben onderzoekers van de Huazhong University of Science and Technology
en het Institute of Materials for Electronics and Energy Technology (i-MEET)
PEDOT:F bedacht, een nieuw polymeercomplex dat dispergeert in alcohol en een lage zuurgraad heeft.
Met deze nieuwe formule is aangetoond dat organische fotovoltaïsche cellen
een energieconversie-efficiëntie van 15% hebben en 83% van hun initiële
efficiëntie behouden bij constante verlichting op maximaal vermogen gedurende in totaal 1330 uur.
Deze nieuwe zonne-ontwikkelingen zijn misschien niet de meest opvallende voor de gemiddelde persoon,
maar ze zijn een duidelijk teken dat er nog meer aan de horizon is met zonne-energie. Dus wat
kunnen we eigenlijk uit deze ontwikkelingen halen en wat betekent dit voor de industrie als geheel?
Ten eerste, hoe opwindend het verbreken van het wereldrecord van zonne-efficiëntie ook is,
het ontwerp van de zonnecel van NREL heeft nog steeds zijn eigen nadelen. Ten eerste zal het produceren van dit type
cel op dit moment nog steeds duur zijn, wat een probleem is dat
de sector van de hernieuwbare energie in het algemeen al hindert. Massaproducerende cellen met dit efficiëntieniveau
zijn misschien nog ver weg, en we zouden een manier moeten vinden om dit te doen terwijl we
de totale kosten laag genoeg houden om grote consumenten niet uit de markt te prijzen.
Het honingraatontwerp van de University of Surrey daarentegen lijkt dat probleem
rechtstreeks aan te pakken. Deze cellen gebruiken in totaal minder silicium, wat zich vertaalt in kostenbesparingen in het productieproces
. Er zit veel potentieel in hoe we ze kunnen gebruiken: zelfs als ze gestructureerd zijn, is de
filmlaag nog steeds superdun, waardoor ze licht en veelzijdig genoeg zijn om praktisch overal mee naartoe te gaan!
De volgende stap is om de show op de weg te krijgen door commerciële partners te vinden en
productietechnieken te ontwikkelen. Zoals je misschien al geraden hebt, is dat op zich geen geringe prestatie,
en voorlopig is dit ontwerp nog ver van de markt,
een ongelukkig lot voor veel veelbelovende hernieuwbare technologieën in wording.
Dus hoe zit het met perovskieten, het stralende baken van de zonne-industrie en tegelijkertijd een probleemkind?
Perovskietcellen zijn nu eindelijk op de markt, maar ze zijn nog lang niet waar fans hoopten dat
ze zouden zijn, en ze zijn zeker nog niet over de commercialiseringsdrempel
. Veel hiervan kan worden toegeschreven aan hun wispelturige karakter in het veld.
Zowel silicium- als perovskietzonnecellen hebben
recentelijk records van meer dan 25% neergezet, dus de kracht zelf is niet noodzakelijk het probleem: het is het uithoudingsvermogen.
Helaas verliezen perovskietcellen in het veld na een
paar maanden gebruik 10% van hun celefficiëntie. Als je dat vergelijkt met siliciumcellen - waarvan de fabrikanten garanderen
dat panelen soms wel 30-40 jaar 80% van hun prestaties behouden - is dat
een moeilijke opgave om te volgen. Perovskietcellen moeten in het veld ten minste 20 jaar
meegaan om de doelstellingen van het US Department of Energy's Solar Energy Technology Office (SETO) 2030 van $ 0,02/kWh te halen.
Productie zal waarschijnlijk de laatste grote hindernis zijn voor het commercialiseren van perovskiet-zonnepanelen.
Het is een beetje een catch 22: we hebben financiering nodig om de productie op te schalen en cellen
op grote schaal te ontwikkelen, maar financiering zal alleen beschikbaar zijn als de opschaling haalbaar lijkt.
Hier is het goede nieuws: perovskieten MOETEN de siliciumcellen niet overtreffen.
Je kunt ze ook gebruiken in tandemcellen, waar een perovskietlaag bovenop
een siliciumcel wordt gestapeld. (Over het beste van twee werelden gesproken!) De materialen absorberen
verschillende lichtgolflengten, wat betekent dat je complementaire energieoogst krijgt.
Dus hoe zit het met organische cellen? Het idee zelf is nog steeds behoorlijk aantrekkelijk. Dit soort cellen
zou hun lichtgewicht en flexibele karakter vrijwel overal kunnen gebruiken, van koepelvormige daken, glas
en andere vreemd gevormde oppervlakken die de zwaardere op silicium gebaseerde panelen niet konden dragen.
Deze jongens zullen je buurt waarschijnlijk niet snel van stroom voorzien, maar ze hebben
hun eigen speciale niche gevonden: met name kleinere apparaten, inclusief wearables.
Waarom zijn wearables zo belangrijk? De meeste gebruiken batterijen voor eenmalig gebruik die om
de 1-2 jaar moeten worden vervangen. Dat is een groot probleem voor dit segment, aangezien de wereldwijde markt voor slimme
sensoren alleen al in 2026 naar verwachting 29,6 miljard dollar zal bereiken, aldus MarketsandMarkets. De huidige
zonnetechnologie voldoet nog niet helemaal aan deze kleinere toepassingen,
omdat silicium binnenshuis niet zo goed werkt en perovskietcellen maar een paar jaar meegaan.
Toegegeven, hun efficiëntie is nog steeds een beetje mager (tenminste,
vergeleken met hun andere tegenhangers op zonne-energie). Hopelijk kunnen verdere studies naar chiraliteit en
andere polymeeroplossingen die efficiëntie op de lange termijn helpen verhogen,
waardoor de "afdrukbare zonnecel" een nietje wordt in de zonnegemeenschap.
Hoewel we hoogstwaarschijnlijk nog een paar jaar verwijderd zijn van het zien van deze weliswaar coole ontwikkelingen
, die daadwerkelijk rimpelingen op de markt veroorzaken, is het een duidelijk teken van waar het naartoe gaat. Als
u echter zonne-energie voor uw huis overweegt, wacht dan niet. Zonnepanelen zijn
tegenwoordig efficiënt genoeg om veel van de doelen te bereiken die u waarschijnlijk voor uw huis heeft.
Wachten op het volgende grote ding zorgt er vrijwel voor dat je altijd zult wachten ... omdat
er altijd iets beters om de hoek is. Als u in de VS woont, mis
dan niet de huidige federale belastingvermindering voor zonne-energie, die aan het einde van het jaar zal dalen.
U kunt mijn EnergySage-portaal (link in de beschrijving) gebruiken om onderzoek te doen en
offertes op te vragen van installateurs bij u in de buurt. Ik gebruikte EnergySage om producten te onderzoeken en
mijn eigen installateur voor mijn huis te vinden en vond de ervaring absoluut geweldig. Wacht niet en mis het.
Als je meer wilt weten over de wetenschap achter zonnepanelen,
raad ik je ten zeerste aan Brilliant te bekijken. Ze hebben fantastische interactieve cursussen,
zoals de cursus Wetenschappelijk Denken. Maar als je echt je hoofd wilt wikkelen rond
een deel van wat we hebben behandeld met deze doorbraken op het gebied van zonnepanelen, bekijk dan zeker
de cursus Zonne-energie. Het leidt je door alles, van EM Basics tot bandgaten in zonnepanelen
. De cursus is tot stand gekomen in samenwerking met een werktuigbouwkundig ingenieur en onderzoeker van het MIT.
Ik heb me er een weg doorheen gewerkt en geniet er echt van om in mijn eigen tempo te leren.
Als je vastloopt, geeft Brilliant je diepgaande uitleg, waardoor je het 'waarom'
en 'hoe' van iets begrijpt. En je leert de concepten door ze
zelf toe te passen door middel van leuke en interactieve problemen. Ik heb gemerkt dat dit actieve leren de manier is waarop ik het beste leer. Sluit je aan bij meer dan
11 miljoen mensen die vandaag op Brilliant leren. Ga naar https://brilliant.org/Undecided om je
gratis aan te melden. En ook krijgen de eerste 200 mensen 20% korting op hun jaarlijkse premium lidmaatschap.
Dank aan Brilliant en aan jullie allemaal voor het steunen van het kanaal.
Dus ben je er nog niet uit? Denk je dat deze vooruitgang een goed teken is van wat komen gaat?
Spring in de reacties en laat het me weten en bekijk zeker mijn vervolgpodcast
Still TBD, waar we enkele van uw feedback zullen bespreken. Als je deze video leuk vond,
bekijk dan zeker een van deze video's hier. En dank aan al mijn klanten voor jullie
voortdurende steun en welkom aan nieuwe supporter + lid PW, en producers Jessica Nash
en Oliver Hilton. En bedankt aan jullie allemaal voor het kijken. Ik zie je in de volgende.