Welke materialen worden gebruikt in zonne-energiesystemen?

Fotovoltaïsche (PV) materialen: het hart van zonne-energie

1. Zonnepanelen

De meeste zonnepanelen zijn gemaakt van silicium, wat goedkoop is en overvloedig aanwezig is in het milieu. Gebaseerd op de eigenschap van silocon, die licht omzet in elektriciteit, zijn er twee basisvariëteiten voor de panelen geproduceerd door silocon: mono- en multi-polysilocon; dan zijn er dunnefilmpanelen. Deze dunne-filmpanelen kunnen andere elementen bevatten, zoals: cadmiumtelluride, koper-indium-gallium-selenide, ander amorf silicium (a-Si), en uiteraard weer silocon. Doorgaans zijn de dunne-filmpanelen ook goedkoper dan polykristallen, maar de energieconversie is meestal lager dan die van polysiliconenpanelen.

2. Omvormers
Omvormers worden ook gemaakt met halfgeleiders en silicium. De meeste mensen gebruiken een centrale omvormer als hun type omvormer. Het is het meest duurzaam en betrouwbaar.

3. Montagesystemen

Montagesystemen zijn gemaakt van weerbestendige materialen zoals aluminium, roestvrij staal en gegalvaniseerd staal.

4. Bedrading en elektrische componenten
Koper dient als hoofdgeleider van de bedrading. Om de bedrading te beschermen tegen schade en omgevingsinvloeden zijn de koperdraden afgeschermd met isolatiemateriaal zoals PVC of polyethyleen.

5. Batterijen

Systemen die gebruik maken van zonne-energie gebruiken gewoonlijk de volgende batterijen: loodzuur, nikkelcadmium en lithiumion. De lange cadmium- en lithiumionen winnen aan populariteit naarmate hun prijzen dalen en hun kwaliteit en efficiëntie verbeteren. Ze zijn lichter en kleiner, wat een extra efficiëntie- en stroomlijningsbonus voor het systeem is.

Geleidende materialen: het zenuwstelsel

Efficiënte energieoverdracht is afhankelijk van deze cruciale componenten:

A. Zilverpasta

Zilverelektroden verzamelen elektronen uit cellen. Elk paneel gebruikt ongeveer 20 gram zilver, wat neerkomt op 10% van de wereldwijde vraag. Onderzoek naar op koper-gebaseerde pasta's heeft tot doel de kosten te verlagen.

B. Koperen bedrading

De algehele koperen bubs-staven die zijn gebouwd om energie die afkomstig is van de individuele zonnecellen over te dragen naar de omvormers. Het koper staat ook bekend om zijn extreem hoge geleidbaarheid, wat betekent dat het ook het energieverlies zal beperken, iets wat uiterst cruciaal is in grote systemen.

C. Siliciumcarbide (SiC) halfgeleiders

SiC wordt gebruikt in omvormers en kan hoge spanningen aan zonder oververhitting. Dit verhoogt de efficiëntie met ongeveer 1 à 2% als je het vergelijkt met gewoon silicium.

Energieopslag: de zonnekloof overbruggen

Om de intermitterende zonne-energie te overwinnen, slaan deze materialen overtollige energie op:
A. Lithium--ionbatterijen

Lithium{0}}ion-batterijen (bijvoorbeeld Tesla Powerwall) domineren de markt en bieden een efficiëntie van 90-95% en 10000+ oplaadcycli. Voor huizen en netwerken zijn ze perfect.
B. Batterijen die natriumionen gebruiken

Natrium{0}}iontechnologie maakt gebruik van gemakkelijk verkrijgbare materialen zoals natriumijzerfosfaat en is 30% goedkoper dan lithium. ideaal voor opslag op rasterschaal.
C. Batterijen met Vanadium Redox Flow

Deze slaan energie op in vloeibare elektrolyten en bieden een opslagcapaciteit van 100+ MWh. Hun schaalbaarheid is geschikt voor industriële toepassingen.

Toekomstige materialen: grenzen verleggen

De volgende generatie zonnetechnologie herdefinieert de mogelijkheden:

A. Quantum Dot-zonnecellen

Halfgeleiderdeeltjes op nanoschaal vangen een breder lichtspectrum op, waardoor de efficiëntie mogelijk wordt verdubbeld. Het onderzoek van Stanford University toont veelbelovende mogelijkheden voor ultra-dunne panelen.

B. Perovskiet-Siliconentandems

Het stapelen van perovskiet op siliciumlagen verhoogt de efficiëntie tot 30%+ in laboratoria. Deze "tandem"-aanpak zou een revolutie teweeg kunnen brengen in commerciële panels.

C. Zelf-genezende materialen

Polymeren die micro-scheurtjes in panelen repareren, kunnen de levensduur met tientallen jaren verlengen, waardoor de onderhoudskosten dalen.

Duurzaamheid: een materiële uitdaging

De hausse aan zonne-energie brengt ecologische trade-offs- met zich mee:

A. Beperkingen van hulpbronnen

De hoeveelheid kooldioxide die wordt verspild tijdens het raffinageproces van silicium is gemeten op 1,5 ton per ton geraffineerd silicium; recycling van silicium reduceert dit echter tot slechts 0,075 ton CO₂ door de implementatie van recycling.

B. Toxiciteitsrisico's

Het verwachte dreigende tekort aan zilver stimuleert de ontwikkeling van nieuwe op koper-gebaseerde producten, waardoor de prijs en beschikbaarheid van koper geen veranderingen in het zuiverheidsniveau ondergaan en het niet als grondstof kunnen worden gebruikt.

C. Circulaire economie

Sommige zonnetegels zijn gemaakt door Tesla met aluminium en gerecycled glas. Het zijn producten voor zonnedakbedekking. Ze proberen ook al het afval uit die productie te elimineren.