Revolutionaire wasbare, rekbare zonnecellen bereiken een efficiëntie van 8%

• Wetenschappers ontwikkelen een nieuwe organische, ultradunne zonnecel die tot de helft van de lengte gewassen en uitgerekt kan worden. 
• Het zet zonlicht om in elektrische energie met een efficiëntie van 8%, terwijl het zeer stabiel is in zowel lucht als water. 
• Een paar bedrijven hebben interesse getoond in het commercialiseren van de technologie. 

Het ontwikkelen van zonnepanelen klinkt mooi, maar wasbare en flexibele zonnecellen klinken nog beter. Wetenschappers van RIKEN Research in Tokio hebben nieuwe organische, superdunne cellen ontwikkeld die twintig gesimuleerde wascycli kunnen doorstaan en tot de helft van hun lengte kunnen worden uitgerekt.

Dit is 's werelds eerste zonnecel die een hogere energie-efficiëntie kan leveren en tegelijkertijd de rekbaarheid en stabiliteit in lucht en water behoudt.

Deze cellen kunnen worden gebruikt in textiel, netwerkapparaten, het onderweg opladen van mobiele apparaten, het voeden van persoonlijke gezondheidsmonitors en nog veel meer. Technisch gezien zijn de mogelijkheden eindeloos. Laten we eens kijken hoe wetenschappers deze cellen precies hebben gebouwd en waar ze toe in staat zijn.

De structuur van nieuwe zonnecellen

Een team van wetenschappers van het RIKEN Center for Emergent Matter Science (CEMS) heeft een organische fotovoltaïsche zonnecel (OPV) ontwikkeld:een dunne organische actieve laag van zonnecellen. Het zet het licht van de zon om in elektrische energie, met een efficiëntie van 8%, terwijl het zeer stabiel is in zowel lucht als water.

Met de dikkere organische laag zou een maximaal conversiepercentage van 10% bereikt kunnen worden, maar voor een OPV, die ongeveer 1 micrometer dik is, is 8% een indrukwekkend conversiepercentage. En omdat het organische materiaal erg dun is, kan het worden gebogen zonder te breken.

Een paar maanden geleden werd dezelfde laag gebruikt om de zonnecellen te maken, maar ze waren niet rekbaar genoeg. Het probleem werd later opgelost door uitgerekte rubberachtige elastomeerplaten over de buitenkant te integreren (zoals een sandwichstructuur). Hierdoor kon de zonnecel zichzelf opvouwen tot een accordeonachtige structuur met pieken en dalen.

Naast dat de cel rekbaar is, zijn de elastomeerplaten ook enigszins waterdicht, waardoor de zonnecellen bestand zijn tegen 20 cycli van mechanische compressie in water gedurende 1 uur en 40 minuten. De efficiëntie van de cellen daalde na 20 wasbeurten met slechts 20%.

Organische zonnecel wordt gewassen en uitgerekt

Meer specifiek toont het onderzoek aan dat wasbare polymere zonnecellen een hoog rendement (7,9%) en rekbaarheid (52%) behouden. De mechanisch stabiele, ultraflexibele OPV's met een totale dikte van 3 micrometer zijn ontwikkeld door stabiele actieve lagen en omgekeerde architectuur te combineren, wat een energieconversie-efficiëntie oplevert van maximaal 7,9% en een stabiele energieconversie-efficiëntie onder omgevingslucht (54% van de initiële efficiëntie na 1 maand) en een rekbaarheid van 41%.

Referentie:Natuur | doi:10.1038/s41560-017-0001-3 | RIKEN-onderzoek

De achteruitgang van de efficiëntie was 20,8% wanneer vrijstaande OPV's gedurende 2 uur in water werden gedompeld. De reductie werd aanzienlijk onderdrukt tot 5,4% door de flexibele OPV's tussen twee elastomeren te plaatsen.

Structuur van de vrijstaande OPV's

Toepassingen

Deze zonnecellen kunnen worden gebruikt om elektronische apparaten zoals sensoren van stroom te voorzien om de lichaamstemperatuur, hartslag, bloeddruk of elektrodermale activiteit te meten. Er zijn ook tal van sensor-ingebedde textielsoorten. Door deze technologieën te combineren met dit nieuwe type zonnecellen zouden enkele slimme sensorkledingsystemen kunnen worden ontwikkeld.

Als in de verre toekomst hogere spanningen kunnen worden gerealiseerd, kunnen deze cellen in kleding worden gebruikt om draagbare instrumenten zoals smartphones en tablets op te laden, en kunnen ze op een dag wellicht in de elektriciteitsbehoefte van huishoudens voorzien. Als de zonnecellen zouden kunnen worden geïntegreerd met lichtgewicht en dunne batterijen, zou hun effectiviteit verder kunnen worden verbeterd.

De toepassingen in de echte wereld zullen waarschijnlijk drie tot vijf jaar later plaatsvinden. Een paar bedrijven hebben zelfs interesse getoond in het commercialiseren van de technologie.

Lees:Dieptesensoren in zelfrijdende auto zijn nu 1000 keer beter

De twee grootste obstakels voor commercialisering zullen echter de omvang en de kosten van de zonnecellen zijn. Voorlopig zijn ze beperkt tot 10*10 cm, wat vrij duur is om te vervaardigen. Maar dit komt grotendeels door de kosten van de actieve laag. De plaatcoating is verbazingwekkend dun, wat uiteindelijk de kosten zal verlagen. Dus als grote bedrijven op de markt besluiten het op de markt te brengen, kunnen ze een nieuwe techniek ontwikkelen om het materiaal van de actieve laag massaal te produceren en de kosten te verlagen.