Uitlegparty: zonnecellen in gadgets, goede combinatie?
Zonnecellen: als ze nou echt zo voordelig zijn als wordt beweerd, waarom zien we ze dan nauwelijks in gadgets?
We horen al jaren dat zonne-energie de oplossing is voor het wereldwijde energieprobleem. De zon schijnt altijd en zal dat ook nog wel zo'n 10 miljard jaar blijven doen. Het hele plantenrijk is gebaseerd op het absorberen en omzetten van zonlicht naar energie. Als we dat nou gewoon kopiëren dan zijn we toch zo van al onze energie problemen af? Gewoon overal zonnecellen op plakken en klaar?
De start was zo goed. Begin jaren 90 hadden bijna alle Texas Instruments- of Casio-rekenmachines een klein zonnecelletje. Waarom is het daar toch bij gebleven? Het antwoord ligt natuurlijk in het feit dat de elektronisch apparatuur veel meer energie is gaan gebruiken. Veel meer dan een simpel elektronisch circuitje, wat knopjes en een klein passief monochroom LCD-schermpje.
Logitech heeft wel een toetsenbord met zonnecellen
Basics
De basis van het omzetten van zonlicht naar bruikbare energie is afhankelijk van de mate waarin een materiaal zonlicht absorbeert. Dat wil zeggen: de mate van interactie die bepaalde moleculen kunnen aangaan met fotonen, lichtdeeltjes. Plus de mogelijkheid van het kunnen extraheren van die energie. Wat in de meeste gevallen betekent: het gemak van het extraheren van energierijke elektronen.
Voornamelijk omdat er geen enkel materiaal bestaat dat echt het hele spectrum van de zon kunnen absorberen, is er een theoretisch maximum aan de efficiency die zonnecellen kunnen leveren onder standaard omstandigheden. Als er dan nog wat andere fundamentele verliesprocessen worden meegenomen komt men uit op wat in 1961 voor het eerst door William Shockley en Hans Queisser is uitgerekend: het natuurkundig theoretisch maximum voor een zonnecel.
Zo is het theoretisch maximum voor de populaire single p-n junction zonnecel maar ongeveer 33 procent. Een p-n junction zonnecel is een laagje halfgeleider dat gedoopt is, door middel van een toevoeging, met elektronen (n-type), met daar direct bovenop een laagje materiaal, waarbij er kunstmatig, ook door middel van een toevoeging van een ander materiaal, veel elektronen zijn verwijderd (p-type).
De solar bikini van de New Yorkse designer Andrew Schneider
Hoe echt is een efficiency?
Dat zijn natuurlijk maar theoretische waardes. Hoe werkt dat dan in de praktijk? Allereerst zijn er afspraken gemaakt over hoe men dan een efficiency van zonnecellen zou moeten meten en melden. Je kunt niet eenvoudigweg even naar buiten lopen met je zonnecel en de efficiëntie meten. De uitkomst daarvan zou nooit eerlijk te vergelijken zijn met een collega ergens anders op de wereld. Omdat de aarde onder een hoek staat met de zon is de intensiteit van het licht op aarde niet overal hetzelfde omdat het licht niet altijd dezelfde afstand aflegt tot het aardoppervlak.
De atmosfeer absorbeert in sommige gevallen daardoor meer zonlicht en in sommige gevallen minder. Hierdoor is zelfs het spectrum van het zonlicht niet overal op het aardoppervlak hetzelfde. Voor het correct vergelijken van de efficiënties is het uiteraard ook van belang dat er niet gesmokkeld wordt met het totale oppervlakte van de zonnecel.
Een groter oppervlakte dan gedacht zal al snel meer licht absorberen en dus een onechte hogere efficiency geven. Daarbij moet de invloed van de temperatuur van de zonnecel natuurlijk ook worden meegenomen. Doet een warme zonnecel het misschien beter dan een koude? En zo zijn er nog wel meer kleine maar belangrijke omstandigheden die voor een goede vergelijking hetzelfde moeten zijn. Zodoende komt men ook aan de veelgebruikte zin 'gemeten onder standaard omstandigheden'.
Zonnecel-instituten
Overal op de wereld kun men dus zonnecellen doormeten en efficiënties vergelijken, als de omstandigheden maar hetzelfde waren bij de originele meting. Zo zijn er ook een aantal instituten op de wereld die onder andere gespecialiseerd zijn in het correct meten van de efficiënties van zonnecellen.
In Nederland is dat instituut het Energy research Centre of the Netherlands (ECN), in Petten, waar ook de enige kerncentrale in Nederland staat. Een van de grootste, en een van de belangrijkste, energie-instituten ter wereld is het National Renewable Energy Laboratory (NREL) in het Amerikaanse Colorado.
De grafiek voor wetenschappers
Het is dan ook NREL dat bijhoudt wat de officiële recordefficiënties zijn van de verschillende type zonnecellen in een wereldberoemd figuurtje. Zo kun je dus zien dat het absolute wereldrecord voor een zonnecel op dit moment (juli 2014) in handen is van elektronicafabrikant Sharp met een zogenaamde triple-junction zonnecel, wat een efficiëntie oplevert van 44.7 procent. En die efficiëntie staat al een jaar.
Het moet gezegd dat er hierbij ook gebruik is gemaakt van een zogenaamde concentrator, een lenstrucje om het zonlicht te focussen en de intensiteit te vergroten. Zoals je rechts onder in de grafiek met de geelrode symbooltjes kun zien wordt op dit moment de grootste buzz veroorzaakt door de zogenaamde Perovskite-zonnecellen. In zeer korte tijd zijn dit type zonnecellen erg efficiënt geworden.
Grote zonnecellen
Als je zo naar dat NREL-figuur kijkt zou je zeggen dat we gewoon grote oppervlaktes moeten bedekken met de beste zonnecellen die we op dit moment hebben. Maar zo eenvoudig is het niet. Opschalen van zonnecellen is een vak apart en kan niet voorkomen dat er toch nog extra energie verloren gaat ten opzichte van de kleine zonnecellen die gemeld worden in de NREL-grafiek. Veel van de type zonnecellen in de NREL-grafiek zijn namelijk niet gemeten op hele grote oppervlaktes, maar juist op hele kleine, soms zelfs maar mm's groot. Dit is ook goed te zien op het plaatje van de record zonnecel van Sharp.
De reden daarvoor is vrij logisch. Waar standaard productieprocessen vaak vierkante zonnecellen opleveren van 5 a 6 inch maken onderzoeksinstellingen en universiteiten zonnecellen die veel kleiner zijn. Simpelweg omdat onderzoek betekent dat er veel omstandigheden worden veranderd, zoals gebruik van de nieuwste materialen of de structuur van de zonnecel zelf. En misschien verandert zelfs wel het hele productieproces.
Het zou dus belachelijk duur zijn, en niet erg flexibel, om al je nieuwe ideeën te testen op hele grote zonnecellen, waarvan misschien ook nog eens 95 procent niet goed blijken en weer weg worden gegooid.
Zonlicht, wat levert dat nou op?
Op het aardoppervlak is de maximum-intensiteit van het zonlicht ongeveer 1000W/m2 onder normale omstandigheden. En dat is dan eigenlijk ook meteen de bottleneck voor veelvuldig zonnecelgebruik in gadgets. Als we enigszins betaalbare zonnecellen gebruiken die ongeveer 20% efficiënt zijn dan kunnen we dus bij een goed verlichte dag maximaal 200W/m2 halen.
Als we de achterkant van een iPhone 5 helemaal vol zouden plakken met die zonnecellen levert dat een paar Watt op. Niet echt veel, en dat nog alleen maar onder de meest ideale volverlichte omstandigheden.
Hoeveel energie verbruikt een smartphone?
Er is onder de kenners erg veel gesteggel over hoeveel energie een typische smartphone nou eigenlijk precies zou verbruiken. Er zijn zelfs wetenschappelijke papers over verschenen: PDF1 PDF2 en PDF3. Vorig jaar publiceerde Mark Mills van de Digital Power Group een rapport waarin hij suggereert dat een smartphone (en de daarmee gepaarde infrastructuur) meer energie zou verbruiken dan een koelkast. Smartphones zouden in totaal zelfs ongeveer 10 procent van de totale elektriciteit op aarde verbruiken. Half internet is toen over hem heen gevallen over wat er wel allemaal wel niet fout was aan die berekeningen van hem. Forbes en zelfs TIME deden er gretig aan mee.
Feit blijft natuurlijk dat je elke avond je smartphone aan de lader moet leggen bij een redelijk gebruik. En het is algemeen geaccepteerd dat het gebruik van wireless communicatie en een groot actief kleurenbeeldscherm de grootste energieslurpers zijn.
Samsungs Blue Earth-telefoon, niet meer te koop
Zonnecellen en gadgets, in noodgevallen?
Een ander gegeven is dat de meeste gadgets het meest binnenshuis gebruikt worden. Waarbij een smartphone of een smartwatch het meest in je zak of onder je mouw zullen verdwijnen. Kortom, het gebruik van zonnecellen in populaire draadloze communicatie gadgets is niet overdreven logisch.
Mijn persoonlijke ervaring van mensen die bijvoorbeeld een Samsung S7750 Blue Earth hadden is dat ze het toestel met ingebouwde zonnecel vooral in noodgevallen gebruikten. Onverwacht is de batterij leeg en na een tijdje op de dashboard van de auto rijdend naar een nieuwe afspraak kan nog dat belangrijke telefoontje gemaakt of sms'je verstuurd worden. Helaas maakt Samsung dit model niet meer en heeft het geen followup-model uitgebracht in Nederland.
Je zou kunnen beargumenteren dat zonnecellen handig kunnen zijn op plekken waar elektriciteit niet altijd aangeboden wordt. Zoals gebieden in Afrika of het Midden-Oosten. Maar je kunt je afvragen of gebieden waar je niet bij elektriciteit kunt, überhaupt wel bereikbaar zijn voor een communicatienetwerk...
Andere recente uitlegparty's:
CyanogenMod, de Android voor geeks
Meer achtergrondartikelen lezen over tech en innovatie? Abonneer je op ons tweewekelijkse webmagazine Bright Ideas.