Zonnepanelen moeten slim worden en communiceren dankzij photovoltatronics

Wetenschappers van de TU Delft stellen een nieuw onderzoeksdomein voor: photovoltatronics. Daarbij wordt onderzocht hoe zonnecellen uitgebreid kunnen worden met intelligentie, energieopslag en communicatie.

Zonnecellen en zonnepanelen zijn tot nu toe vrij dom. Hun doel is om zonlicht op te vangen, de energie om te zetten in elektriciteit en dat is het. Wetenschappers willen de energieopbrengst wel verhogen, maar lopen wat efficiëntie betreft tegen de grenzen aan. Volgens de Photovoltaic Materials and Devices-groep van de TU Delft is er veel meer mogelijk met zonnecellen als we ze intelligenter zouden maken.

De onderzoeksgroep wijst erop dat zonnecellen fotonen ontvangen en elektriciteit genereren, en dat fotonen en elektronen niet alleen energiedragers zijn, maar ook informatiedragers. Door die eigenschappen slim te combineren moet je kunnen komen tot intelligentere zonnecellen en zonnepanelen, die informatie kunnen verwerken. De onderzoekers noemen het werkterrein voor het combineren van zonnecellen, elektronica en dataverwerking photovoltatronics.

Wat gaat photovoltatronics ons brengen en waarom moeten zonnecellen slimmer gemaakt worden? Dat vroegen we aan Hesan Ziar, assistant-professor van de Photovoltaic Materials and Devices-groep aan de TU Delft. "Photovoltatronics gaat helpen om zonnepanelen duurzamer en slimmer te maken en de energieopbrengst te verhogen. Voordelen zijn er vooral voor de stedelijke omgeving van de toekomst. Meer mensen gaan in steden wonen en daar is de energieconsumptie het hoogst."

Het lijkt tegenstrijdig om energiegebruikende elektronica toe te voegen aan zonnepanelen om de opbrengst te vergroten. Ziar: "De elektronica waar we ons op richten, verbruikt maar heel weinig. De voordelen om meer elektriciteit met dezelfde module te genereren door deze slimmer te maken, wegen ruimschoots op tegen het beetje meerverbruik." Daarnaast wijst hij op de voordelen van integratie van elektronica, zoals die te zien zijn bij tal van sectoren, waaronder consumentenelektronica.

De opbrengst verhogen is nodig, maar de grenzen van de mogelijkheden om de zonnecellen zelf efficiënter te maken, komen in zicht. Meer dan 90 procent van de commercieel gebruikte zonnecellen is van het type kristallijn silicium. De praktische limiet van de conversie-efficiëntie ligt op 29,4 procent, terwijl de beste c-Si-zonnecellen van dit moment in laboratoria een conversie-efficiëntie van 26,7 procent laten zien. De uiteindelijke opbrengst hangt onder andere van de weersomstandigheden af. Met andere woorden: ook als een zonnecel een recordrendement heeft, hoeft hij nog niet de hoogste opbrengst te hebben. Wetenschappers zoeken naar manieren om die energieopbrengst te verhogen.

Photovoltatronics kan hierbij helpen volgens Ziar. "Als zonnepanelen kunnen samenwerken, kunnen ze communiceren over de omgevingsomstandigheden, zoals de mate van schaduw, de bedekking of de temperatuur. Een paneel kan dan bijvoorbeeld aangeven: ik ben bedekt met stof of beschadigd; verwijder mij of neem mijn werk over. Of panelen op een dak kunnen doorgeven dat de positie veranderd moet worden. Hiermee kan de energieopbrengst van een zonnepaneel aanzienlijk groter worden." Een ander voorbeeld dat de onderzoeksgroep geeft, is het in ramen integreren van zonnecellen die tegelijk daglicht, koeling en zonwering van een gebouw reguleren.

Accurate modellen kunnen opgesteld worden over de lichtomstandigheden, schaduw, temperatuur, vocht enzovoort. Dat kan op stads-, wijk- en straatniveau, en zelfs indoor. Die modellen kunnen weer helpen om het juiste type zonnepanelen te gebruiken, met lagen van verschillend materiaal, die geoptimaliseerd zijn voor de gemeten omstandigheden. De onderzoekers willen de passieve fotovoltaïsche modulen daarvoor veranderen in PV-based intelligent energy agents.

Ze stellen onder andere voor modules te voorzien van sensoren voor het meten van de omstandigheden. Ook zouden ze geïntegreerde accu's voor het opslaan van energie kunnen krijgen. De accu's kunnen fluctuaties in de elektriciteitstoevoer opvangen en de integratie op paneelniveau doen. Dat heeft voordelen voor de productie en het installatiegemak. Daarnaast biedt het de mogelijkheid om systemen zelfvoorzienend te maken. Voor de communicatie stellen de onderzoekers het gebruik van LiFi voor, datacommunicatie die werkt op basis van licht in plaats van radioverbindingen.

De intelligent energy agents kunnen als voeding voor LiFi-apparaten dienen, maar ook als receiver of transceiver. De zonnecellen zetten zonlicht om in elektriciteit en leds zetten dit weer om in fotonen voor de communicatie, waarna zonnecellen de fotonen weer kunnen omzetten in elektriciteit. "Het voordeel van LiFi is de hoge bandbreedte van deze techniek. De inzet kan internet bieden aan stedelingen en de basis vormen voor andere informatiediensten." De onderzoekers denken bijvoorbeeld aan toepassingen op het gebied van iot, automotive en infotainment.

Ziar denkt dat het benoemen van de combinatie van verschillende disciplines met de term 'photovoltatronics' kan helpen om onderzoek hiernaar te bevorderen. "Er zijn uiteraard hier en daar al initiatieven om zonnepanelen slimmer te maken en we zien ook dat onderzoeksgroepen hier steeds meer aan samenwerken. We zien een duidelijke vraag uit de samenleving om zonnepanelen beter in te zetten. Het onderbrengen van onderzoek onder photovoltatronics kan helpen richting te geven, te focussen en investeringen te verkrijgen, zodat we hiermee de samenleving van de toekomst mede vorm kunnen geven."

De Photovoltaic Materials and Devices-groep aan de TU Delft heeft zijn werk gepubliceerd in Energy & Environmental Science.