211service.com
'Light Pipes' verhogen de organische zonne-efficiëntie
Onderzoekers in North Carolina hebben een manier ontwikkeld om de prestaties van organische zonnecellen meer dan te verdubbelen door een laag rechtopstaande optische vezels toe te voegen die fungeren als zonlichtvangers.
Vezelbos: Dit prototype zonnepaneel is bedekt met optische vezels. Fotonen stuiteren rond in de vezels voordat ze worden geabsorbeerd, en dit verdubbelt de efficiëntie van het paneel in vergelijking met gewone organische cellen.
David Carroll , een professor in de natuurkunde aan de Wake Forest University, leidde de ontwikkeling van een prototype zonnecel waarin de vezels zijn verwerkt. Hij is de hoofdwetenschapper bij een spin-offbedrijf genaamd FiberCell dat een reel-to-reel productieproces ontwikkelt om de cellen te produceren. We staan op het punt om werkende demonstranten te hebben die iemand zouden overtuigen om hiermee in productie te gaan, zei Carroll .
De beste organische zonnecellen van vandaag zijn bijna 8 procent efficiënt, hoewel er inspanningen worden geleverd om organische chemie te ontwikkelen die de efficiëntie van dergelijke cellen boven de 10 procent zou brengen. Maar Carroll zegt dat verbeterde chemie alleen niet genoeg zal zijn om de prestaties van siliciumcellen in te halen. Het antwoord ligt niet in de chemie, maar in de architectuur van de cel zelf, zegt hij. Carroll voegt eraan toe dat de kosten in dollars per watt voor het vervaardigen van op vezels gebaseerde organische cellen ongeveer dezelfde kosten zouden moeten zijn als voor platte organische cellen. Maar ze kunnen worden geproduceerd in een fabriek die een tiende kost van een siliciumgieterij, zegt hij. Hierdoor zouden ze veel goedkoper te produceren zijn dan siliciumcellen.
Het probleem met standaard platte cellen, of ze nu gemaakt zijn van een organisch of anorganisch materiaal, is dat er wat zonlicht verloren gaat door reflectie. Om dit effect te verminderen, brengen celmakers antireflecterende coatings aan of etsen ze het celoppervlak om de fotonabsorptie te vergroten. Het team van Carroll heeft een meer dramatische aanpak gekozen door optische vezels te stempelen op een polymeersubstraat dat de basis van de cel vormt.
De vezels, die Carroll lichtpijpen noemt, steken als grove stoppels uit het oppervlak. Ze zijn omgeven door dunne organische zonnecellen die zijn aangebracht met behulp van een dompelcoatingproces en er wordt ook een lichtabsorberende kleurstof of polymeer op de cel gespoten. Licht kan onder elke hoek het uiteinde van een vezel binnendringen. Fotonen stuiteren dan rond in de vezel totdat ze worden geabsorbeerd door de omringende organische cel.
De onderzoekers testten een glasvezelcel in het laboratorium en ontdekten dat de vezel de lichtabsorptie met ongeveer de helft verbeterde. Carroll zegt dat de cellen in de loop van een dag ook twee keer zoveel wattuur kunnen produceren in vergelijking met platte panelen, omdat ze licht vanuit verschillende hoeken kunnen ontvangen. Het is hetzelfde als een plat apparaat pakken en het de hele dag recht op de zon richten, zegt hij.
Onderzoekers van Georgia Tech experimenteren met vergelijkbare op vezels gebaseerde organische zonnecellen. Zhong Lin Wang , hoogleraar materiaalkunde en techniek aan de universiteit, zegt dat de aanpak grote voordelen heeft ten opzichte van conventionele flat-cell-ontwerpen. Zijn lab heeft een hybride cel ontwikkeld die bestaat uit optische vezels en een nanodraad-fuzz van zinkoxide die op de buitenwanden van de vezels wordt gekweekt. De nanodraden, behandeld met lichtabsorberende kleurstoffen, zijn bedoeld om een groter oppervlak te bieden voor het opvangen van zonlicht. Wang zegt dat deze aanpak de efficiëntie met een factor zes verhoogt, hoewel zijn laboratorium nog niet verder gaat dan een enkele vezelstreng. We werken nog steeds aan het integreren van meerdere vezels [op een groter oppervlak], zegt hij.
Carroll begon zijn onderzoek in 2004, waardoor Wake University een voorsprong had op het pad naar commercialisering. De meeste apparaten die er nu zijn, zitten op individuele vezels, zegt hij. Carroll zegt ook dat er geen tekort is aan roll-to-roll verwerkingstechnieken op de markt waarmee substraten bedekt kunnen worden met optische vezels. We zullen van die lenen; dat is niet moeilijk, zegt hij. De gevoeligheid voor laagdikte en coatingkwaliteit is veel minder dan we hadden verwacht, wat betekent dat productieroutes veel dichterbij zijn dan we eerst hadden verwacht.
FiberCell is momenteel in gesprek met investeerders en streeft ernaar zijn op vezels gebaseerde organische cellen voor dakpannen en andere producten te produceren die baat zouden hebben bij de mogelijkheid om licht vanuit verschillende hoeken te accepteren. Als ik dit zo goed mogelijk laat presteren, dan heb ik een apparaat dat zou theoretisch in staat moeten zijn om 15 procent efficiëntie te overtreffen, in de buurt van 20 procent, zegt Carroll. Dit zou organische fotovoltaïsche technologie concurrerend maken met de beste siliciumpanelen van vandaag.
John Paul Morgan , een optisch ingenieur en chief technology officer van het geconcentreerde fotovoltaïsche zonne-energiebedrijf Morgan Solar, zegt dat de FiberCell-aanpak zal moeten concurreren met andere technieken die zijn ontworpen om het paneeloppervlak te vergroten en meer licht op te vangen. Het is bijvoorbeeld aangetoond dat het kweken van een bos van dicht gegroepeerde nanodraden op een substraat de efficiëntie van organische cellen verbetert.
Optische vezels zijn een interessante benadering, maar net als andere benaderingen komt het neer op de uitdagingen van fabricage, zei Morgan. Alle nieuwe celtechnologieën hebben te maken met vocht, elektrische verbindingen en slijtage. Als ze deze kunnen overwinnen, kan dit een zeer levensvatbaar idee zijn. Ik ben opgewonden om te zien wat er daarna komt.