Een zonne-raam gemaakt door wetenschappers van de Michigan State University in East Lansing bereikte een rendement van 5% met behulp van organische fotovoltaïsche cellen.
RICHARD LUNT/MICHIGAN STATE UNIVERSITY
Lance Wheeler kijkt naar glasachtige wolkenkrabbers en ziet onbenut potentieel. Huizen en kantoorgebouwen, zegt hij, zijn goed voor 75% van het elektriciteitsverbruik in de Verenigde Staten, en 40% van het totale energiegebruik. Ramen, die energie lekken, vormen een groot deel van het probleem. “Alles wat we kunnen doen om dat te verminderen, zal een zeer grote impact hebben,” zegt Wheeler, een expert op het gebied van zonne-energie bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado.
Een reeks recente resultaten wijst op een oplossing, zegt hij: Verander de ramen in zonnepanelen. In het verleden hebben materiaalwetenschappers lichtabsorberende films in vensterglas aangebracht. Maar dergelijke zonne-ramen hebben vaak een roodachtige of bruine tint die architecten onaantrekkelijk vinden. De nieuwe zonneceltechnologieën absorberen echter vrijwel uitsluitend onzichtbaar ultraviolet (UV) of infrarood licht. Daardoor blijft het glas helder, terwijl de UV- en infraroodstraling die er normaal gesproken doorheen lekt en soms ongewenste warmte afgeeft, wordt geblokkeerd. Door de warmtetoename te verminderen en tegelijkertijd energie op te wekken, hebben de ramen “enorme vooruitzichten”, zegt Wheeler, waaronder de mogelijkheid dat een groot kantoorgebouw zichzelf van energie zou kunnen voorzien.
De meeste zonnecellen, zoals de standaard kristallijne siliciumcellen die de industrie domineren, offeren transparantie op om hun efficiëntie te maximaliseren, het percentage van de energie in zonlicht dat in elektriciteit wordt omgezet. De beste siliciumcellen hebben een rendement van 25%. Intussen komt een nieuwe klasse van ondoorzichtige zonnecelmaterialen, perovskieten genaamd, steeds dichter in de buurt van silicium met toprendementen van 22%. Niet alleen zijn de perovskieten goedkoper dan silicium, ze kunnen ook worden afgestemd op het absorberen van specifieke frequenties van licht door het tweaken van hun chemische recept.
Deze week in Joule, een team onder leiding van Richard Lunt, een chemisch ingenieur van de Michigan State University in East Lansing, meldt dat het afgestemd de materialen om een UV-absorberende perovskiet zonne-raam met een rendement van 0,5% te ontwikkelen. Hoewel dat een stuk lager is dan het rendement van de beste perovskietcellen, zegt Lunt dat het hoog genoeg is om een andere raamtechnologie aan te drijven: verduisterend glas dat op verzoek het intense licht op het heetst van de dag tegenhoudt, waardoor een gebouw minder behoefte heeft aan airconditioning. Lunt gelooft dat zijn team een duidelijk pad heeft om in de komende paar jaar een efficiëntie van 4% te bereiken. In dat tempo zouden de cellen een deel van de verlichting en de airconditioning van het gebouw van stroom kunnen voorzien.
Aan de andere kant van het spectrum bevindt zich infrarood licht, dat het aardoppervlak intensiever treft dan UV-licht en daardoor meer elektriciteit kan opwekken. Vorig jaar meldde het team van Lunt in Nature Energy dat het transparante, UV- en infrarood-absorberende cellen met een rendement van 5% had gemaakt, met behulp van “organische” fotovoltaïsche cellen – dunne filmsandwiches van organische halfgeleiders en metalen. Lunt zegt dat toekomstige systemen die UV-vangende perovskieten koppelen aan infrarood-vangende organische verbindingen rendementen van 20% kunnen bereiken, terwijl ze toch bijna volledig transparant zijn.
Een derde benadering van heldere zonne-ramen berust op zogenaamde luminescente zonne-concentrators. In deze ramen absorberen kwantumdots, kleine halfgeleiderdeeltjes, licht bij UV- en infraroodfrequenties en zenden dit weer uit bij de golflengten die traditionele zonnecellen opvangen. Het opnieuw uitgezonden licht wordt geconcentreerd en zijwaarts, door het glas heen, naar zonnecelstrips geleid die in het raamkozijn zijn ingebed. Omdat kwantumdots goedkoop te maken zijn en er slechts een kleine hoeveelheid zonnecelmateriaal nodig is om het opnieuw uitgezonden licht op te vangen, beloven deze zonne-ramen goedkoop te zijn. Bovendien werken zonnecellen beter bij intens, geconcentreerd licht. Victor Klimov, chemicus aan het Los Alamos National Laboratory in New Mexico, en zijn collega’s rapporteerden in januari in Nature Photonics.
Tel de halfdoorzichtige ramen nog niet uit, zegt Michael McGehee, een expert op het gebied van zonne-ramen en perovskieten aan de Stanford University in Palo Alto, Californië. Vorig jaar heeft het Amerikaanse ministerie van energie bijvoorbeeld 2,5 miljoen dollar toegekend aan Next Energy Technologies in Santa Barbara, Californië, om zijn semitransparante organische zonnecelvensters te perfectioneren. Het bedrijf heeft een rendement van 7% bereikt met ramen die de helft absorberen van het invallende zonlicht dat erop valt, zichtbaar licht inbegrepen. Daardoor worden ze donkerder dan helder glas, maar omdat ze licht uit het hele spectrum absorberen in plaats van op specifieke frequenties, krijgen ze niet de lelijke roodachtige of bruinachtige tint. “Het blijkt dat een raam dat ongeveer de helft van het licht in het hele zichtbare spectrum absorbeert, er geweldig uitziet,” zegt McGehee, die ook als adviseur van het bedrijf fungeert.
Wheeler is er niet zeker van welke technologie uiteindelijk aan de top zal staan. Eén factor zal de toxiciteit zijn: Glas breekt, en veel zonneceltechnologieën bevatten een kleine hoeveelheid giftige stoffen. De technologieën moeten ook duurzaam genoeg zijn om tientallen jaren mee te gaan, zoals de bouwsector eist. Maar volgens hem is het een veilige gok te verwachten dat toekomstige gebouwen niet al hun energie uit het net zullen betrekken. Ze zullen het ook zelf opwekken. “Bouwers moeten toch ramen plaatsen”, zegt Wheeler. “Waarom niet meeliften op die ramen?”