Het energieopwekkingspotentieel van zonnepanelen – en een belangrijke beperking van het gebruik ervan – is het resultaat van waar ze van gemaakt zijn. Panelen van silicium dalen zo in prijs dat ze op sommige plaatsen elektriciteit kunnen leveren die ongeveer hetzelfde kost als stroom uit fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardgas. Maar silicium zonnepanelen zijn ook omvangrijk, stijf en broos, dus ze kunnen niet zomaar overal worden gebruikt.

In veel delen van de wereld die geen gewone elektriciteit hebben, zonnepanelen kunnen zorgen voor leeslicht in het donker en energie om drinkwater te pompen, helpen kleine huishoudens of dorpsbedrijven van stroom te voorzien of zelfs noodopvangcentra en vluchtelingenkampen te bedienen. Maar de mechanische kwetsbaarheid, zwaarte en transportproblemen van siliciumzonnepanelen suggereren dat silicium misschien niet ideaal is.

Voortbouwend op het werk van anderen, mijn onderzoeksgroep werkt aan de ontwikkeling van flexibele zonnepanelen, dat even efficiënt zou zijn als een siliciumpaneel, maar zou dun zijn, lichtgewicht en buigzaam. Dit soort apparaat, die we een "zonnezeil, " kan worden uitgespreid tot de grootte van een kamer en elektriciteit opwekken uit de zon, en het kan worden opgerold tot de grootte van een grapefruit en in een rugzak van maar liefst 1 worden gestopt. 000 keer zonder te breken. Hoewel er enige moeite is gedaan om organische zonnecellen flexibeler te maken door ze simpelweg ultradun te maken, echte duurzaamheid vereist een moleculaire structuur die de zonnepanelen rekbaar en taai maakt.

Silicium halfgeleiders

Silicium wordt gewonnen uit zand, wat het goedkoop maakt. En de manier waarop de atomen in een vast materiaal zijn verpakt, maakt het een goede halfgeleider, wat betekent dat de geleidbaarheid ervan kan worden in- en uitgeschakeld met behulp van elektrische velden of licht. Omdat het goedkoop en handig is, silicium is de basis voor de microchips en printplaten in computers, mobiele telefoons en eigenlijk alle andere elektronica, het overbrengen van elektrische signalen van het ene onderdeel naar het andere. Silicium is ook de sleutel tot de meeste zonnepanelen, omdat het de energie van licht kan omzetten in positieve en negatieve ladingen. Deze ladingen stromen naar de tegenoverliggende zijden van een zonnecel en kunnen worden gebruikt als een batterij.

Maar door zijn chemische eigenschappen kan het ook niet worden omgezet in flexibele elektronica. Silicium absorbeert licht niet erg efficiënt. Fotonen kunnen dwars door een te dun siliciumpaneel gaan, dus ze moeten redelijk dik zijn - ongeveer 100 micrometer, ongeveer de dikte van een dollarbiljet - zodat er geen licht verloren gaat.

Halfgeleiders van de volgende generatie

Maar onderzoekers hebben andere halfgeleiders gevonden die veel beter licht kunnen absorberen. Een groep materialen, genaamd "perovskieten, " kan worden gebruikt om zonnecellen te maken die bijna net zo efficiënt zijn als silicium, maar met lichtabsorberende lagen die een duizendste van de dikte zijn die nodig is met silicium. Als resultaat, onderzoekers werken aan het bouwen van perovskiet-zonnecellen die kleine onbemande vliegtuigen en andere apparaten kunnen aandrijven waarbij gewichtsvermindering een sleutelfactor is.

De Nobelprijs voor de Scheikunde 2000 werd toegekend aan de onderzoekers die voor het eerst ontdekten dat ze een ander type ultradunne halfgeleider konden maken, halfgeleidend polymeer genoemd. Dit type materiaal wordt een "organische halfgeleider" genoemd omdat het is gebaseerd op koolstof, en het wordt een "polymeer" genoemd omdat het uit lange ketens van organische moleculen bestaat. Organische halfgeleiders worden al commercieel gebruikt, inclusief in de miljardenindustrie van organische lichtemitterende diodes, beter bekend als OLED-tv's.

Polymeerhalfgeleiders zijn niet zo efficiënt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit als perovskieten of silicium, maar ze zijn veel flexibeler en mogelijk buitengewoon duurzaam. Reguliere polymeren - niet de halfgeleidende - komen overal in het dagelijks leven voor; zij zijn de moleculen waaruit stof bestaat, kunststof en verf. Polymeerhalfgeleiders hebben het potentieel om de elektronische eigenschappen van materialen zoals silicium te combineren met de fysieke eigenschappen van plastic.

Het beste van twee werelden:efficiëntie en duurzaamheid

Afhankelijk van hun structuur, kunststoffen hebben een breed scala aan eigenschappen - waaronder zowel flexibiliteit, zoals bij een zeil; en stijfheid, zoals de carrosseriepanelen van sommige auto's. Halfgeleidende polymeren hebben starre moleculaire structuren, en velen zijn samengesteld uit kleine kristallen. Deze zijn essentieel voor hun elektronische eigenschappen, maar hebben de neiging ze broos te maken, wat geen wenselijk kenmerk is voor flexibele of rigide artikelen.

Het werk van mijn groep was gericht op het identificeren van manieren om materialen te maken met zowel goede halfgeleidende eigenschappen als de duurzaamheid waar kunststoffen bekend om staan ​​- of ze nu flexibel zijn of niet. Dit zal de sleutel zijn tot mijn idee van een zonnezeil of deken, maar kan ook leiden tot dakbedekking, buitenvloertegels of misschien zelfs de oppervlakken van wegen of parkeerplaatsen.

Dit werk zal de sleutel zijn tot het benutten van de kracht van zonlicht - omdat, ten slotte, het zonlicht dat in één uur op de aarde valt, bevat meer energie dan de hele mensheid in een jaar verbruikt.

Dit artikel is oorspronkelijk gepubliceerd op The Conversation. Lees het originele artikel.