Hoe TU/e technologie de eindeloze kracht van de zon bij u in huis (en naar uw auto) brengt

Het potentieel van zonne-energie is enorm: onze planeet ontvangt op elk moment zo'n 173.000 terawatt aan energie van de zon, 10.000 keer meer dan het energieverbruik van de wereldbevolking. Het benutten van deze bijna oneindige energiebron is al geruime tijd de drijvende kracht achter veel onderzoek aan de Technische Universiteit Eindhoven. Het onderzoek beslaat een breed terrein aan expertises en interesses, variërend van de elementaire bouwstenen van zonnecellen en het opschalen van technologie voor industriële toepassing, tot het verhogen van de esthetische kwaliteit van zonnepanelen of de toepassing ervan in auto’s die rijden op zonne-energie. En met succes: naar schatting bevat bijna één derde van alle zonnecellen wereldwijd technologie die is ontwikkeld door onze onderzoekers. Op deze pagina tonen wij u stap voor stap de hele keten: van fundamenteel onderzoek in het lab tot de toepassing in de dagelijkse praktijk.

Erik Bakkers: Het theoretisch maximale rendement doorbreken met nanodraden

Fysicus Erik Bakkers is vooral bekend om zijn zoektocht naar Majorana deeltjes. Maar zijn fundamenteel onderzoek naar nanodraden brengt mogelijk niet alleen in de computerwereld een revolutie teweeg. Het zou ook wel eens een sleutelrol kunnen gaan spelen op het vlak van duurzame energievoorziening. Bakkers verwacht binnen een paar jaar de zogenaamde Shockley-Queisser-limiet te doorbreken, het maximale theoretische rendement van een zonnecel. Volgens deze limiet kunnen zonnepanelen vanwege natuurkundige wetten niet meer dan een derde van het geabsorbeerde zonlicht omzetten in energie.

Maar Bakkers is ervan overtuigd dat zijn nanodraad-zonnecellen deze limiet kunnen doorbreken. Vanwege hun kleine omvang en diameter zijn deze nanodraden zeer goed in staat licht op te vangen en te concentreren. Bakkers en zijn team kunnen zogenaamde entropieverliezen reduceren en zo de prestaties van zonnecellen verbeteren. In 2016 zette Bakkers’ groep het wereldrecord efficiëntie voor nanodraadzonnecellen op 17,8 procent. De grootse uitdaging zit in de ontwikkeling van een hoogwaardig materiaal met een uitstekende interne efficiëntie. “En dat is precies waar we goed in zijn”, aldus Bakkers. Lees meer over Bakkers’ werk in deze longread en op zijn groepspagina. Zijn meest recente onderzoek vindt u hier.

René Janssen: Efficiënte zonnecellen van polymeren en perovskiet

Het gebruik van onconventionele materialen voor zonnecellen maakt ook deel uit van het onderzoek van universiteitshoogleraar René Janssen. Janssen leidt de interdisciplinaire groep Moleculaire Materialen en Nanosystemen, die gespecialiseerd is in het ontwikkelen van halfgeleidermaterialen van organisch materiaal en perovskiet. Ook onderzoekt en ontwikkelt de groep zogeheten meervoudige zonnecellen, waarbij meerdere absorptielagen samenwerken om de efficiëntie te verhogen.

Organische en perovskiet-halfgeleiders zijn gemakkelijk te produceren en potentieel goedkoop. Ook is het verrassend genoeg mogelijk om met deze materialen efficiënte zonnecellen te maken, ondanks hun ongeordende aard en grote defect-dichtheid. Janssens groep richt zich op het begrijpen en aanpassen van de subtiele interacties tussen de chemische en elektronische structuur in deze materialen. Door de lichtabsorptie, het ladingstransport en de nanoschaalstructuur te manipuleren kunnen deze nieuwe materialen verder worden verbeterd.

Meervoudige cellen combineren twee of meer subcellen, waarbij de verschillende materialen verschillende delen van het zonnespectrum absorberen, zodat de maximale efficiëntie voor elk van hen kan worden gecombineerd. Hier ligt de focus voor Janssens onderzoeksteam op het creëren van de optimale materialen om deze cellen efficiënt maken. Het team slaagde er als eerste ter wereld in om polymeerzonnecellen te maken in een oplossing. Momenteel werken de onderzoekers aan zonnecellen op basis van perovskiet. Meer over het werk van Janssen en zijn groep is te vinden op deze pagina. Zijn meest recente onderzoek is hier te vinden.

Shuxia Tao: Stabiliteit verbeteren van het veelbelovende materiaal perovskiet

Shuxia Tao gebruikt, net als René Janssen, inzichten uit de scheikunde en natuurkunde, maar haar aanpak is rekenkundig. Zij probeert met behulp van atomistische en multischalige rekenkundige methodes fundamenteel inzicht te krijgen in de materialen die worden gebruikt in zonnecellen.

Een van haar huidige interesses is het onderzoek naar defecten in perovskiet. Perovskiet is goedkoop en in overvloed beschikbaar, wat het in potentie een aantrekkelijk alternatief maakt voor silicium. Het probleem is echter dat perovskiet zeer instabiel is, waardoor het snel afbreekt als het wordt blootgesteld aan licht, hitte en vocht. Tao toonde onlangs aan dat de stabiliteit van perovskiet significant kan toenemen wanneer er een kleine beschermde laag fluoride aan wordt toegevoegd.

De uitdaging voor de toekomst ligt in het verkrijgen van meer inzicht in de relevante mechanismen op atomische schaal. “We weten nog steeds niet precies waarom sommige materialen doeltreffender zijn dan anderen in het verbeteren van de stabiliteit van perovskiet op langere termijn,” zegt Tao. Ga voor meer informatie over Tao’s werk naar haar groepspagina. Haar meest recente onderzoek vindt u hier.

Erwin Kessels: Zonnetechnologie van het lab naar de praktijk

Erwin Kessels is gespecialiseerd in het gebruik van Atomic Layer Deposition (ALD) technieken om zeer efficiënte zonnecellen te maken op industriële schaal en tegen acceptabele kosten. ALD is een productietechniek waarmee ultradunne laagjes van een materiaal atoomlaag voor atoomlaag aangebracht kunnen worden op een substraat. Omdat de laagjes één voor één worden aangebracht is het mogelijk om zeer precieze en complexe structuren te fabriceren.

Deze nanolaagjes hebben meerdere toepassingen in zonnecellen. Allereerst worden ze gebruikt als zogeheten passiveerlaagjes om elektriciteitsverliezen aan het siliciumoppervlak te minimaliseren. Ten tweede kunnen ze fungeren als anti-reflectie coatings, die de hoeveelheid door siliciumcellen gereflecteerd licht minimaliseren. Ten derde worden ze gebruikt als transparante geleidende oxiden (TCO’s), die nodig zijn aan de voorzijde van niet op wafers gebaseerde zonnecellen om lading te geleiden. Ten vierde worden nanolaagjes gebruikt voor de productie van ultradunne-film-zonnecellen die, vanwege hun flexibiliteit en geringe gewicht, kunnen worden toegepast in gebouwen. En ten slotte kan met nanolaagjes de efficiëntie van zonnecellen op basis van perovskiet verbeterd worden.

Volgens Kessels is ALD veelbelovend voor de zonne-industrie, omdat het een technologie is die grootschalig gebruikt kan worden en gemakkelijk de stap van het laboratorium naar industriële toepassingen kan maken. Hij verwacht dat binnen een jaar of twee praktisch alle commerciële zonnepanelen nanolaagjes zullen bevatten die in zijn lab werden ontwikkeld. Samenwerking met industriële partners is een grote prioriteit voor Kessels. Hij is één van de drijvende krachten achter de Solliance alliantie, een samenwerkingsverband tussen vooraanstaande onderzoekers op het gebied van zonnetechnologie uit zowel de academische wereld als de industriële sector. Ga voor meer informatie over Kessels’ werk naar zijn groepspagina. Zijn meest recente onderzoek vindt u hier.

Roel Loonen: Zonnecellen esthetisch aantrekkelijk maken

De focus van het onderzoek van Roel Loonen ligt op de integratie van zonnecellen in de gebouwde omgeving. Hij ontwikkelt performance-based ontwerprichtlijnen om zonnecelmaterialen zodanig aan te passen dat ze perfect geïntegreerd kunnen worden in bouwelementen, zodat het hele proces efficiënter, goedkoper en esthetisch aantrekkelijk wordt. De ambitie om zonnepanelen op maat te produceren voor specifieke afmetingen in de bouw staat bekend als ‘Building Integrated Photo Voltaics’ (BIPV). Dit komt tegemoet aan de groeiende renovatiemarkt en de dringende behoefte aan duurzame energieconsumptie en -productie in onze woningen en gebouwen.

In het PV OpMaat project werkten Loonen en andere onderzoekers samen met diverse industriële partners om BPIV te implementeren, waarbij ze modellerings- en simulatietechnieken uit de bouwfysica combineerden met experimenteel onderzoek. Tevens bekijkt Loonen de mogelijkheden en beperkingen bij het gebruik van dunnefilm-technologie op maat in BIPV, om de potentie van ultradunnefilm zonnecellen te evalueren.

De prestaties van BIPV modules op volledige schaal wordt momenteel gemonitord in SolarBEAT, een testlocatie op het dak van een gebouw op de TU/e campus bestaande uit een geavanceerd weerstation, een volledige thermische onderzoeksinstallatie en een netwerk van sensoren voor straling, temperatuur en energieopbrengst. Ga voor meer informatie over Loonens werk naar zijn groepspagina. Zijn meest recente onderzoek vindt u hier.

Michael Debije: Kleurrijke zonneconcentrators

Michael Debije’s interesse ligt ook in de toepassing van zonnetechnologie in de gebouwde omgeving, maar hij benadert het onderwerp vanuit een andere hoek, namelijk als scheikundig ingenieur. Hij ontwerpt op polymeren gebaseerde zonne-energiesystemen die niet alleen elektriciteit opwekken, maar die ook de omgeving verfraaien en reageren op veranderingen in omgevingscondities. Hij werkt ook aan aanpasbare zonne-energiesystemen in de tuinbouwsector om het functioneren van kassen te verbeteren. De platen op basis van polymeren kunnen overal geïntegreerd worden waar het gebruik van conventionele zonnepanelen geen geschikte oplossing is.

Debije is vooral bekend van zijn werk met zogenaamde Luminescent Solar Concentrators (LSC’s), kleurrijke, aanpasbare zonnepanelen die bij uitstek geschikt zijn voor de stedelijke omgeving. LSC’s bestaan uit kleine luminescente deeltjes die het zonlicht opvangen en reflecteren tot het de randen van de zonnecel bereikt. Zo wordt het geconcentreerde zonlicht omgezet in elektriciteit.

Omdat LSC’s transparant zijn kunnen ze worden gebruikt in omgevingen waar zonnepanelen minder gewenst zijn, om esthetische redenen of omdat ze makkelijk beschadigd of vuil kunnen worden. Bijkomstig voordeel is dat LSC’s minder gevoelig zijn voor schaduw. Ga voor meer informatie over Debije’s werk naar zijn groepspagina. Zijn meest recente onderzoek vindt u hier.

Solar Team: Rijden op zonlicht

Solar Team Eindhoven brengt de technologie van zonnepanelen naar de mobiliteitssector. Hun prijswinnende zonneauto Stella bewijst dat als het om duurzaamheid gaat, auto’s niet het probleem zijn maar de oplossing. Stella is een gezinsauto met een dak vol zonnepanelen, die ervoor zorgen dat de auto onafhankelijk van het energienet en zonder fossiele brandstof kan rijden. Stella is uniek: de auto is niet alleen volledig zelfaangedreven, maar gebruikt ook Artificial Intelligence om automatisch de meest zonnige plek te vinden. Bovendien kan Stella andere auto’s opladen, waardoor de auto een mobiel oplaadpunt wordt.

Het verbeteren van de zonneauto is een voortdurend proces. Om de twee jaar begint een nieuwe groep TU/e studenten aan hun avontuur met een nieuwe gezinsauto op zonne-energie. Team 2019, dat verantwoordelijk was voor Stella, bestond uit 26 gedreven studenten, ondersteund door meer dan 60 alumni.

Solar Team Eindhoven heeft al tot een belangrijke spin-off geleid: Lightyear, een bedrijf dat elektrische auto’s bouwt met geïntegreerde zonnepanelen. Het in Helmond gevestigde bedrijf, waar ongeveer 150 mensen werken, presenteerde zijn eerste auto afgelopen zomer.