De toekomst van fotovoltaïsche cellen

De eerste fotovoltaïsche cellen, die in de jaren vijftig werden ontwikkeld om communicatiesatellieten van stroom te voorzien, waren zeer inefficiënt. Sinds die tijd is het rendement van zonnecellen gestaag gestegen, terwijl de kosten zijn gedaald, hoewel er nog veel ruimte voor verbetering is. Naast lagere kosten en een betere efficiëntie, zullen toekomstige ontwikkelingen in fotovoltaïsche materialen waarschijnlijk leiden tot een breder gebruik van zonne-energie voor nieuwe, milieuvriendelijke toepassingen.

Fotovoltaïsche cellen waren de sleutel tot de eerste communicatiesatellieten omdat er maar weinig alternatieven waren die betrouwbare elektriciteit konden produceren voor lange periodes, vooral zonder onderhoud. De hoge kosten van een satelliet rechtvaardigden het gebruik van dure zonnecellen voor stroom. Sindsdien zijn de kosten voor zonnecellen aanzienlijk gedaald, wat heeft geleid tot goedkope mobiele apparaten zoals rekenmachines op zonne-energie en opladers voor mobiele telefoons. Voor grootschalige elektriciteitsopwekking blijven de kosten voor elke watt geproduceerde elektriciteit uit fotovoltaïsche energie hoger dan die van alternatieven zoals energie uit steenkool of kernenergie. De algemene trend van dalende kosten voor zonnecellen zal zich waarschijnlijk in de nabije toekomst voortzetten.

Een efficiënte zonnecel produceert meer elektriciteit uit een bepaalde hoeveelheid licht dan een inefficiënte. De efficiëntie hangt af van verschillende factoren, waaronder de materialen die in de fotovoltaïsche cel zelf worden gebruikt, het glas dat wordt gebruikt om de cel te bedekken en de elektrische bedrading van de cel. Verbeteringen, zoals materialen die een groter deel van het lichtspectrum van de zon omzetten in elektriciteit, hebben de efficiëntie van zonnecellen drastisch verhoogd. Toekomstige ontwikkelingen zullen waarschijnlijk de efficiëntie verder verhogen, waardoor meer elektrische energie uit licht wordt geperst.

Een traditionele fotovoltaïsche cel is een plat stuk silicium, bedekt met glas en gebonden aan een metalen paneel; het is effectief maar niet erg flexibel. Huidig ​​onderzoek naar fotovoltaïsche materialen heeft geleid tot cellen die op verschillende oppervlakken zijn geverfd, waaronder papier en plastic vellen. Een andere techniek plaatst een ultradun laagje materiaal op glas, wat resulteert in een raam dat licht doorlaat en elektriciteit produceert. Een grotere verscheidenheid aan fotovoltaïsche materialen in de toekomst kan leiden tot huisverf op zonne-energie, wegverharding, een jas die uw mobiele telefoon oplaadt en andere geavanceerde toepassingen.

Vooruitgang in nanotechnologie, de studie van materiaaleigenschappen op atomair en moleculair niveau, heeft een groot potentieel voor het verbeteren van fotovoltaïsche cellen. De grootte van microscopisch kleine deeltjes in fotovoltaïsche materialen beïnvloedt bijvoorbeeld hun vermogen om specifieke kleuren licht te absorberen; door de grootte en vorm van moleculen te verfijnen, kunnen wetenschappers hun efficiëntie verhogen. Nanotechnologie kan op een dag ook leiden tot een desktop 3D-printer die atomair nauwkeurige zonnecellen en andere apparaten produceert tegen zeer lage kosten.

Hoewel fotovoltaïsche cellen veelbelovend zijn voor toekomstige toepassingen, zullen ze ook te kampen hebben met enkele harde fysieke limieten. Het is bijvoorbeeld onwaarschijnlijk dat een volledig door de zon aangedreven personenauto de prestaties of het nut zal hebben van een typisch huidig ​​model op gas. Hoewel auto's op zonne-energie hebben gelopen in competities, zijn dit voor het grootste deel zeer gespecialiseerde prototypes van een miljoen dollar die zonnige woestijnomstandigheden vereisen. De beperkende factor is het zonlicht dat de aarde ontvangt, dat onder ideale omstandigheden oploopt tot 1.000 watt per meter. De kleinste praktische elektromotor voor een auto heeft ongeveer 40 kW aan energie nodig; bij een efficiëntie van 40 procent betekent dit een zonnepaneel van 100 vierkante meter of 1.000 vierkante voet. Aan de andere kant kan een praktisch zonnepaneel ooit een kleine runabout van stroom voorzien voor incidenteel gebruik of het rijbereik voor een plug-in hybride vergroten. De beperkte energie in zonlicht beperkt de prestaties van elk voertuig dat afhankelijk is van fotovoltaïsche cellen.