Hoe we lichtgevende ‘zonnecel-boosters’ een stralende toekomst kunnen geven

Het rendement van zonnepanelen kan worden verbeterd met heldere, kleurrijke, licht-vangende platen van lichtgevende materialen, zogeheten luminescent solar concentrators (LSC’s). Hoewel LSC’s al sinds eind jaren zeventig op de markt zijn, hebben ze niet dezelfde impact als zonnepanelen. Dit komt volgens TU/e-onderzoeker Michael Debije deels door een gebrek aan meetstandaarden. Samen met collega’s uit het Verenigd Koninkrijk en Italië heeft hij een reeks LSC-metingen ontwikkeld die de commerciële toepassing van LSC’s kunnen vergemakkelijken.

Over de nadelen van zonnepanelen zegt Debije: "De donkere kleur is niet prettig voor het oog, ze leveren minder goede prestaties in schaduwrijke gebieden en onder bewolkte omstandigheden, ze zijn maar in beperkte vormen en maten verkrijgbaar en kunnen maar van één kant licht opvangen. Bovendien reageren PV-panelen enkel op specifieke golflengtes aan licht."

Deze esthetische en operationele beperkingen kunnen worden aangepakt door PV-panelen aan te vullen met luminiscent solar concentrators. Hierdoor kunnen de PV-panelen op bijna elke locatie worden gebruikt.

Luminescent solar concentrators (LSC’s) bestaan uit lichtgevende materialen – luminoforen – die op het oppervlak van een polymeer- of glasplaat zijn gecoat. Licht wordt door de luminoforen opgevangen bij een bepaalde golflengte, en vervolgens weer uitgezonden bij een langere golflengte.

Gevoelig voor diffuus licht

In tegenstelling tot PV-panelen, zijn LSC’s gevoelig voor diffuus licht, zijn ze visueel aantrekkelijk, en wordt het gebruik niet beperkt tot alleen daken. Maar het cruciale voordeel: LSC’s kunnen de gevoeligheid van PV-panelen verhogen, omdat ze geschikt zijn bij meer golflengten aan licht.

PV-panelen op basis van halfgeleiders zijn beperkt door hun gevoeligheid voor bepaalde golflengten van het licht. Wanneer fotonen met voldoende energie de halfgeleidermaterialen raken, genereren ze elektronen. Als de fotonen echter te veel energie hebben, hebben de opgewekte elektronen te veel energie om goed te kunnen worden geoogst.

Dat is waar LSC’s te hulp schieten. Fotonen met een hoge energie worden opgevangen door luminoforen in de LSC’s, door het materiaal getransporteerd via complete interne reflectie, en vervolgens opnieuw uitgezonden bij langere golflengten. PV-cellen aan de randen van de LSC absorberen dan het licht met de langere golflengte.

"LSCs kunnen niet rechtstreeks concurreren met zonnepanelen op het vlak van elektriciteitsproductie. Maar ze kunnen zonnepanelen wel van meer bruikbaar licht voorzien," aldus Debije .

Identiteit nodig

"Momenteel hebben LSC’s nog geen eigen identiteit, en dat is niet goed voor de technologie. Het LSC-veld bestaat al 40 jaar, maar is er niet in geslaagd om een industriële meewind te krijgen," zegt Debije.

Hoewel hun functionaliteit indrukwekkend is, is er een kritiek probleem met LSC’s. Debije: "Het is geweldig dat LSCs de efficiëntie van PV’s verbeteren, maar dit heeft geleid tot een probleem met normen. Momenteel is het moeilijk om de prestaties van verschillende LSC-apparaten alleen te vergelijken, omdat veel onderzoekers LSC’s evalueren in de context van PV-technologieën."

Een bijkomend probleem is dat sommige onderzoekers LSC’s zien als fotonische apparaten. Het gebrek aan consensus is schadelijk geweest voor het grootschalige gebruik ervan, een kwestie die Debije ernstig zorgen baart. "De vooruitgang is vertraagd door het ontbreken van standaardrapportagemethoden voor LSC’s, wat betekent dat het onmogelijk is om gegevens te vergelijken die de afgelopen 40 jaar zijn verzameld."

Gemotiveerd door het gebrek aan goede protocollen om LSC-technologieën te classificeren, heeft Debije samen met Rachel Evans (Cambridge) en Gianmarco Griffini (Milaan) een reeks metingen bedacht die door elk laboratorium kunnen worden uitgevoerd. Deze meetbenaderingen worden gepresenteerd in een recent artikel in het tijdschrift Energy & Environmental Science.

"Ons doel is het voor de LSC-gemeenschap gemakkelijk te maken om verschillende LSC-ontwerpen te vergelijken. Tot nu toe waren er geen gestandaardiseerde meetbenaderingen beschikbaar." De onderzoekers presenteren niet alleen meetbenaderingen voor LSC’s, maar stellen ook voor om LSC’s voortaan te behandelen als fotonische apparaten.

"Als we LSC’s willen legitimeren, moeten deze metingen voor alle LSC-apparaten worden gevolgd," aldus Debije. "Deze technologie zou een enorme impact kunnen hebben op stedelijk ontwerp, energieproductie, chemische verwerking en waterstofproductie. Er zijn steeds meer laboratoria die aan LSC’s werken, maar er zijn ook steeds meer tegenstanders die wijzen op het ontbreken van standaardisatie." De door Debije, Evans en Griffini ontwikkelde protocollen kunnen de balans doen doorslaan in het voordeel van een snelle en gestandaardiseerde toepassing.