Kan het Benutten van Kwantumfluctuaties Leiden tot Efficiëntere Zonnepanelen?

Als wetenschappers gelijk hebben, staat de wereld mogelijk op de rand van een klimaatcrisis. In dat geval moet er eerder dan later iets worden gedaan om het probleem aan te pakken. Voor velen blijft het laaghangende fruit in de strijd tegen klimaatverandering de overgang van onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen naar meer duurzame opties zoals waterkracht, wind, geothermie en zonne‑energie. Echter, om dit echt te laten gebeuren, moet er een gezamenlijke inspanning worden geleverd om de technologie achter deze alternatieven te verbeteren. Gelukkig zijn onderzoekers al hard aan het werk, met meerdere recente studies die wijzen op een veelbelovende toekomst voor fotovoltaïsche cellen, die het mogelijk maken zonne‑energie te oogsten.

Bowtie-resonatoren

Een van deze eerder genoemde studies heeft met succes een toekomst geschetst waarin, door gebruik te maken van kwantumfluctuaties, ‘bowtie-resonatoren’ mogelijk zelf kunnen worden vervaardigd.

Bowtie-resonatoren zijn een type structuur die in de volgende generatie fotovoltaïsche cellen zal worden gebruikt, gebouwd met het doel licht te vangen in een afgesloten holte. Het doel hiervan is de contacttijd tussen het gevangen licht en het medium dat wordt gebruikt om energie over te dragen/op te slaan te maximaliseren. Interessant genoeg krijgen bowtie-resonatoren hun naam vanwege hun vorm die lijkt op die van een strik.

Gewoonlijk, bij afwezigheid van lekken, geldt: hoe kleiner de resonator, hoe effectiever hij licht vangt – wat leidt tot hogere efficiëntie en energieopbrengst. Helaas zijn we op een punt gekomen waarop traditionele productietechnieken bijna volledig benut zijn. Hier komt de studie in beeld, die probeerde kwantumfluctuaties te benutten die resulteren in de fundamentele krachten die bekend staan als de,

• Casimir-effect
• Van‑der‑Waalskrachten

Het doel hiervan was in wezen het zelffabricageproces van een resonator veel kleiner dan momenteel op schaal mogelijk is te sturen. Het resultaat was een significante en succesvolle vooruitgang in de productie van halfgeleiderapparaten, aangezien het team de Casimir‑Van‑der‑Waalskrachten kon benutten voor ‘deterministische zelfassemblage’ van gesuspendeerde siliciumnanostructuren en de succesvolle creatie van een nanoscopische resonatorholte.

Kort gezegd – in plaats van te proberen een resonator op zo’n kleine schaal te bouwen, maakte het team twee helften en vertrouwde op kwantumfluctuaties om ze te ‘samenvoegen’ wanneer ze extreem dicht bij elkaar werden geplaatst. Het artikel stelt dat “Daarentegen heeft platte halfgeleidertechnologie een enorme technologische impact gehad, dankzij de inherente schaalbaarheid, maar lijkt niet in staat te zijn de atomaire afmetingen te bereiken die door zelfassemblage mogelijk worden gemaakt.”

Wat betekent dit?

De implicaties van deze technologie zijn verstrekkend, met potentiële toepassingen in diverse vakgebieden. Het artikel werkt dit verder uit en stelt het volgende.

“Hoewel ons werk de zelfassemblage van fotonische resonatoren met een beperking van enkele tot subnanometer toont, kan onze methode worden toegepast in een veel breder onderzoeks- en technologieniveau, bijvoorbeeld solid-state nanopoorsequencing, nanogap-kwantumtunnel-elektroden of ultra‑hoogwaardige schaduwmaskers voor supergeleidende kwantumelektronische apparaten.

Meer in het algemeen opent ons werk perspectieven voor het verkennen van nieuwe regimes van fotonica, elektronica en mechanica op atomische schaal, terwijl het tegelijkertijd schaalbare en zelfuitgelijnde integratie met grootschalige chiparchitecturen mogelijk maakt.

De zelfgeassembleerde golfgeleider‑gekoppelde resonator is bijzonder interessant met betrekking tot verbeterde licht‑materie‑interactie, wat mogelijk de werking van apparaten op enkel‑foton‑niveaus mogelijk maakt en nieuwe efficiëntieniveaus mogelijk maakt die nog niet in fotovoltaïsche cellen zijn gezien.

Back‑contact fotovoltaïsche cellen

Opmerkelijk is dat dit niet de enige potentieel baanbrekende vooruitgang van de afgelopen weken op het gebied van fotovoltaïsche cellen is. Onderzoekers van de Universiteit van Ottawa (U of O) hebben met succes de “…eerste back‑contact micrometrische fotovoltaïsche cellen” vervaardigd.

Bron: www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2666386423005325?via%3Dihub#abs0015

In wezen is dit een nieuwe productietechniek die het ‘schaduw‑effect’ in een fotovoltaïsche cel sterk vermindert door de elektrische contacten naar de achterkant te verplaatsen. Dit betekent dat het gebruikte energie‑verzamelende medium meer oppervlak heeft, waarmee het opgevangen licht kan interageren. Deze benadering maakt ook een aanzienlijke miniaturisatie van de cellen mogelijk. Alles betekent een hogere efficiëntie en kosteneffectiviteit.

Alternatieve toepassingen

Interessant genoeg zijn deze besproken doorbraken belangrijk voor meer dan alleen het benutten van zonne‑energie. Ze kunnen ook een mogelijke weg wijzen voor nanotechnologie in het algemeen door de haalbaarheid te demonstreren van het benutten van kwantumfluctuaties en fundamentele krachten zoals het Casimir‑effect en Van‑der‑Waalskrachten.

Gerichte zelffabricagematerialen zouden een nieuw domein van mogelijkheden in de materiaalkunde openen dat vrijwel elke industrie diepgaand zou beïnvloeden. Dit betekent lichtere en sterkere bouwmaterialen, miniaturiseerde elektronica, effectievere geneesmiddelen, gerichte medicijnafgifte en meer.

Kort samengevat kan nanotechnologie op een dag deze industrieën fundamenteel transformeren, waardoor het een bijzonder boeiend en veelbelovend gebied van wetenschappelijk en technologisch onderzoek wordt. Het is echter belangrijk te erkennen dat een gerichte, zelfgefabriceerde bowtie‑resonator slechts één stap is in een marathon.

Industrie‑spelers

Hoewel het nog enkele jaren kan duren voordat we zelfassemblerende bowtie‑resonatoren en back‑contactcellen in praktische toepassingen zien, zijn dit de soorten innovatieve vooruitgangen die nodig zijn als we de potentiële klimaatcrisis die we al ondervinden willen vermijden of ten minste verzachten. Met dat in gedachten zijn hieronder enkele beursgenoteerde bedrijven die sterk betrokken zijn bij de groei van de zonne‑industrie en de technologie die dit mogelijk maakt.

*De onderstaande cijfers waren nauwkeurig op het moment van schrijven en kunnen wijzigen. Elke potentiële belegger dient de cijfers te verifiëren*

1. NextEra Energy Resources

NEE Prijsgrafiek

NextEra Energy (NEE ) Resources is het grootste clean‑energy‑bedrijf van Noord‑America, leidend in de productie van wind‑ en zonne‑energie. Het ontwikkelt, bouwt en exploiteert elektrische energieprojecten, waaronder meer dan 150 wind‑ en zonne‑energiecentra in 26 staten van de VS en vier provincies van Canada, en genereert meer dan 17.000 megawatt wind‑ en zonne‑energie.

2.  First Solar

FSLR Prijsgrafiek

First Solar (FSLR ) ontwerpt en produceert zonnestroomsystemen en zonne‑modules met behulp van dunne‑film halfgeleidertechnologie. Het biedt ook ondersteunende diensten zoals financiering, constructie, onderhoud en recycling van panelen aan het einde van hun levensduur.

3. SolarEdge Technologies

SEDG Prijsgrafiek

SolarEdge Technologies (SEDG ) is een wereldleider op het gebied van slimme energietechnologie. Het biedt oplossingen voor fotovoltaïsche systemen, opslag, opladen van elektrische voertuigen, batterijen, ononderbroken stroomvoorziening en netdiensten. Het bedrijf staat bekend om zijn SolarEdge DC-geoptimaliseerde omvormeroplossing, die de energieopwekking maximaliseert terwijl de kosten van door fotovoltaïsche systemen geproduceerde energie worden verlaagd.

Slotgedachten

De vooruitgang in fotovoltaïsche technologie, met name de ontwikkeling van zelfassemblerende bowtie‑resonatoren en back‑contact fotovoltaïsche cellen, vormt een belangrijke stap in het aanpakken van de dringende uitdagingen van klimaatverandering. Deze innovaties vertegenwoordigen meer dan wetenschappelijke vooruitgang; ze zijn cruciale stappen naar een duurzame energie‑toekomst.

Naarmate deze technologieën dichter bij grootschalige adoptie komen, beloven ze zonne‑energie efficiënter, kosteneffectiever en toegankelijker te maken, waardoor de overgang van fossiele brandstoffen wordt versneld. Deze vooruitgang in zonne‑technologie sluit niet alleen aan bij milieudoelstellingen, maar benadrukt ook het potentieel van hernieuwbare energie om op korte termijn een dominante, praktische energiebron te worden.