Rijkert Knoppers
Het in Leuven gevestigde onderzoekscentrum IMEC heeft nieuwe thermofotovoltaïsche cellen ontwikkeld die veel beter presteren dan eerder ontwikkelde systemen. Hiermee komt de marktintroductie een stap dichterbij.
Thermofotovoltaïsche systemen maken elektriciteit uit afvalwarmte, die bijvoorbeeld vrijkomt bij industriële processen. Ook kunnen de systemen de efficiëntie van verwarmingsinstallaties in woningen verhogen door de warmte van bijvoorbeeld cv-ketels te gebruiken voor het maken van elektriciteit. De thermofotovoltaïsche cellen, die gemaakt zijn van III-V materiaal zoals germanium, werken bij een temperatuur die rond de 750 tot 1250 graden Celsius ligt. Tot nu toe was de geproduceerde elektrische stroom te duur om deze techniek succesvol toe te passen, maar het Belgische IMEC heeft nu een verbeterd productieproces ontwikkeld. In plaats van het fabriceren van de cellen op een spiegelglans gepolijst oppervlak, wat noodzakelijk was voor de juiste structurele groei van de III-V lagen, maken de onderzoekers van IMEC nu gebruik van diffusie en benutten ze amorf silicium voor de actieve laag. Daarnaast zijn germaniumsubstraten toegepast met een speciaal ontwikkelde oppervlakteafwerking. De productiekosten van deze aanpak zijn niet alleen lager, door het ruwe oppervlak is ook de omzettingsefficiëntie van warmte naar elektriciteit hoger.
Â
Ook onderzoekers van de Amerikaanse Stanford University gebruiken afvalwarmte voor het produceren van elektrische stroom, maar in dit nieuwe proces gaat het om fotovoltaïsche zonnecellen. Over het algemeen wekken zonnecellen minder elektriciteit op naarmate de temperatuur hoger ligt, maar een team onder leiding van Nick Melosh, hoogleraar in de materiaalkunde, zegt dat dankzij de inzet van hoge temperatuur halfgeleidermateriaal een rendement van 55 tot 60 procent te halen zou zijn, veel meer dan dat van gangbare zonnecellen. De Amerikanen bedekten in een zogeheten process enhanced thermionic emission (PETE) proces is het halfgeleidermateriaal galliumnitraat met een dunne laag van cesium. Hierdoor kunnen de zonnecellen bij temperaturen van meer dan 200 graden elektriciteit opwekken. Er is hierbij nog discussie of galliumnitraat het meest geschikte materiaal is, of dat bijvoorbeeld galliumarsenide beter zou werken. ‘Het PETE proces kan de haalbaarheid van zonne-energie een flinke stimulans geven’, aldus Melosh. ‘Zelfs als we niet het perfecte rendement halen, laten we zeggen dat we het rendement van de conversie van zonlicht met tien procent verbeteren, dan gaan we van een efficiency van twintig naar dertig procent. Dat is toch een algehele toename van vijftig procent.’ Volgens Melosh zouden de zonnecellen te gebruiken zijn bij zowel geconcentreerde pv-installaties als bij zonthermische krachtinstallaties, in beide gevallen versterken spiegels of lenzen het zonlicht.
