Het omzetten van zonlicht in elektriciteit betekent misschien niet langer grote panelen van fotovoltaïsche cellen op platte oppervlakken zoals daken.

Met behulp van zinkoxide nanostructuren gegroeid op optische vezels en gecoat met kleurstofgevoelige zonnecelmaterialen, onderzoekers van het Georgia Institute of Technology hebben een nieuw type driedimensionaal fotovoltaïsch systeem ontwikkeld. Door deze aanpak kunnen PV-systemen aan het zicht worden onttrokken en ver van traditionele locaties zoals daken worden geplaatst.

"Door deze technologie te gebruiken, we kunnen fotovoltaïsche generatoren maken die opvouwbaar zijn, verborgen en mobiel, " zei Zhong Lin Wang, een Regents-professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Optische vezel zou zonlicht in de muren van een gebouw kunnen geleiden, waar de nanostructuren het zouden omzetten in elektriciteit. Dit is echt een driedimensionale zonnecel."

Details van het onderzoek werden gepubliceerd in de vroege weergave van het tijdschrift Angewandte Chemie International op 22 oktober. Het werk werd gesponsord door het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA), het KAUST Global Research Partnership en de National Science Foundation.

Kleurstofgevoelige zonnecellen gebruiken een fotochemisch systeem om elektriciteit op te wekken. Ze zijn goedkoop te vervaardigen, flexibel en mechanisch robuust, maar hun compromis voor lagere kosten is dat de conversie-efficiëntie lager is dan die van op silicium gebaseerde cellen. Maar het gebruik van nanostructuurarrays om het beschikbare oppervlak voor het omzetten van licht te vergroten, kan het efficiëntienadeel helpen verminderen, terwijl architecten en ontwerpers nieuwe mogelijkheden krijgen om PV in gebouwen op te nemen, voertuigen en zelfs militaire uitrusting.

De fabricage van het nieuwe Georgia Tech PV-systeem begint met optische vezels van het type dat door de telecommunicatie-industrie wordt gebruikt om gegevens te transporteren. Eerst, de onderzoekers verwijderen de bekledingslaag, breng vervolgens een geleidende coating aan op het oppervlak van de vezel voordat u het oppervlak bezaait met zinkoxide. Volgende, ze gebruiken gevestigde, op oplossingen gebaseerde technieken om uitgelijnde zinkoxide-nanodraden rond de vezel te laten groeien, net als de borstelharen van een flessenborstel. De nanodraden worden vervolgens gecoat met de kleurstofgevoelige materialen die licht omzetten in elektriciteit.

Zonlicht dat de optische vezel binnenkomt, gaat in de nanodraden, waar het interageert met de kleurstofmoleculen om elektrische stroom te produceren. Een vloeibaar elektrolyt tussen de nanodraden vangt de elektrische ladingen op. Het resultaat is een hybride nanodraad/optische vezelsysteem dat tot zes keer zo efficiënt kan zijn als vlakke zinkoxidecellen met hetzelfde oppervlak.

"In elke reflectie in de vezel, het licht heeft de mogelijkheid om te interageren met de nanostructuren die zijn gecoat met de kleurstofmoleculen, " legde Wang uit. "Je hebt meerdere lichtreflecties in de vezel, en meerdere reflecties binnen de nanostructuren. Deze interacties vergroten de kans dat het licht interageert met de kleurstofmoleculen, en dat verhoogt de efficiëntie."

Wang en zijn onderzoeksteam hebben een efficiëntie van 3,3 procent bereikt en hopen na oppervlaktemodificatie 7 tot 8 procent te bereiken. Hoewel lager dan silicium zonnecellen, deze efficiëntie zou nuttig zijn voor praktische energiewinning. Als ze dat kunnen, de potentieel lagere kosten van hun aanpak zouden het voor veel toepassingen aantrekkelijk kunnen maken.

Door een groter gebied te bieden voor het verzamelen van licht, de techniek zou de hoeveelheid energie die wordt geproduceerd door sterk zonlicht maximaliseren, evenals het genereren van respectabele vermogensniveaus, zelfs bij zwak licht. De hoeveelheid licht die de optische vezel binnenkomt, kan worden verhoogd door lenzen te gebruiken om het binnenkomende licht te focussen, en de op vezels gebaseerde zonnecel heeft een zeer hoge verzadigingsintensiteit, zei Wang.

Wang gelooft dat deze nieuwe structuur architecten en productontwerpers een alternatief PV-formaat zal bieden voor integratie in andere toepassingen.

"Dit zal echt een aantal nieuwe opties bieden voor fotovoltaïsche systemen, " zei Wang. "We zouden de esthetische problemen van PV-arrays bij het bouwen kunnen elimineren. We kunnen ons ook PV-systemen voorstellen voor het leveren van energie aan geparkeerde voertuigen, en voor het opladen van mobiele militaire uitrusting waar traditionele arrays niet praktisch zijn of je ze niet zou willen gebruiken."

Wang en zijn onderzoeksteam, waaronder Benjamin Weintraub en Yaguang Wei, hebben generatoren geproduceerd op glasvezel tot 20 centimeter lang. "Hoe langer hoe beter, " zei Wang, "omdat het licht langer langs de vezel kan reizen, hoe meer bounces het zal maken en hoe meer het zal worden geabsorbeerd."

Tot nu toe is traditionele optische kwartsvezel gebruikt, maar Wang zou minder dure polymeervezel willen gebruiken om de kosten te drukken. Hij overweegt ook andere verbeteringen, zoals een betere methode voor het verzamelen van de ladingen en een oppervlaktecoating van titaniumoxide die de efficiëntie verder zou kunnen verhogen.

Hoewel het kan worden gebruikt voor grote PV-systemen, Wang verwacht niet dat zijn zonnecellen op korte termijn siliciumapparaten zullen vervangen. Maar hij gelooft wel dat ze de potentiële toepassingen voor fotovoltaïsche energie zullen verbreden.

"Dit is een andere manier om stroom uit de zon te halen, " zei Wang. "Om aan onze energiebehoeften te voldoen, we hebben alle benaderingen nodig die we kunnen krijgen."

Bron:Georgia Institute of Technology