De meeste van de huidige zonnepanelen vangen zonlicht op en zetten het alleen om in elektriciteit vanaf de kant die naar de hemel is gericht. Als de donkere onderkant van een zonnepaneel ook het zonlicht zou kunnen omzetten dat door de grond wordt gereflecteerd, nog meer elektriciteit kan worden opgewekt.

Dankzij dubbelzijdige zonnecellen kunnen panelen nu al verticaal op het land of op daken zitten en zelfs horizontaal als de overkapping van een tankstation, maar het is niet precies bekend hoeveel elektriciteit deze panelen uiteindelijk kunnen genereren of hoeveel geld ze kunnen besparen.

Een nieuwe thermodynamische formule onthult dat de bifaciale cellen waaruit dubbelzijdige panelen bestaan, gemiddeld 15% tot 20% meer zonlicht genereren voor elektriciteit dan de monofaciale cellen van de huidige enkelzijdige zonnepanelen. rekening houdend met verschillende terreinen zoals gras, zand, beton en vuil.

De Formule, ontwikkeld door twee natuurkundigen van de Purdue University, kan worden gebruikt om in enkele minuten de meeste elektriciteit te berekenen die tweezijdige zonnecellen in verschillende omgevingen kunnen genereren, zoals gedefinieerd door een thermodynamische limiet.

"De formule omvat slechts een eenvoudige driehoek, maar het destilleren van het uiterst gecompliceerde natuurkundige probleem tot deze elegant eenvoudige formulering vergde jaren van modellering en onderzoek. Deze driehoek helpt bedrijven om betere beslissingen te nemen over investeringen in zonnecellen van de volgende generatie en om erachter te komen hoe ze efficiënter kunnen worden ontworpen, " zei Mohammed "Ashraf" Alam, Purdue's Jai N. Gupta hoogleraar elektrische en computertechniek.

In een paper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , Alam en co-auteur Ryyan Khan, nu een assistent-professor aan de East West University in Bangladesh, laten ook zien hoe de formule kan worden gebruikt om de thermodynamische limieten te berekenen van alle zonnecellen die in de afgelopen 50 jaar zijn ontwikkeld. Deze resultaten kunnen worden gegeneraliseerd naar technologie die waarschijnlijk in de komende 20 tot 30 jaar zal worden ontwikkeld.

De hoop is dat deze berekeningen zonneparken zouden helpen om eerder in hun gebruik optimaal te profiteren van bifaciale cellen.

"Het duurde bijna 50 jaar voordat monofaciale cellen op een kosteneffectieve manier in het veld verschenen, "Alam zei. "De technologie is opmerkelijk succesvol geweest, maar we weten nu dat we hun efficiëntie niet meer significant kunnen verhogen of de kosten kunnen verlagen. Onze formule zal de ontwikkeling van bifaciale technologie op een snellere tijdschaal begeleiden en versnellen."

De krant heeft de wiskunde misschien net op tijd opgelost:experts schatten dat tegen 2030, bifaciale zonnecellen zullen wereldwijd bijna de helft van het marktaandeel voor zonnepanelen uitmaken.

Alam's benadering wordt de "Shockley-Queisser-driehoek genoemd, omdat het voortbouwt op voorspellingen van onderzoekers William Shockley en Hans-Joachim Queisser over de maximale theoretische efficiëntie van een monofaciale zonnecel. Dit maximale punt, of de thermodynamische limiet, kan worden geïdentificeerd op een naar beneden hellende lijngrafiek die een driehoekige vorm vormt.

De formule laat zien dat de efficiëntiewinst van bifaciale zonnecellen toeneemt met licht dat door een oppervlak wordt gereflecteerd. Aanzienlijk meer vermogen zou worden omgezet van licht dat weerkaatst wordt door beton, bijvoorbeeld, vergeleken met een oppervlak met vegetatie.

De onderzoekers gebruiken de formule om betere tweezijdige ontwerpen aan te bevelen voor panelen op landbouwgrond en de ramen van gebouwen in dichtbevolkte steden. Transparant, dubbelzijdige panelen zorgen ervoor dat zonne-energie op landbouwgrond kan worden opgewekt zonder schaduwen te werpen die de gewasproductie zouden blokkeren. In de tussentijd, het creëren van tweezijdige ramen voor gebouwen zou steden helpen meer hernieuwbare energie te gebruiken.

De paper beveelt ook manieren aan om het potentieel van bifaciale cellen te maximaliseren door het aantal grenzen tussen halfgeleidermaterialen te manipuleren, knooppunten genoemd, die de stroom van elektriciteit vergemakkelijken. Bifaciale cellen met enkelvoudige juncties bieden de grootste efficiëntiewinst ten opzichte van monofaciale cellen.

"De relatieve winst is klein, maar de absolute winst is aanzienlijk. U verliest het aanvankelijke relatieve voordeel naarmate u het aantal knooppunten verhoogt, maar de absolute winst blijft stijgen, ' zei Khan.

De Formule, gedetailleerd in de krant, is grondig gevalideerd en is klaar voor gebruik door bedrijven bij het ontwerpen van bifaciale cellen.