Welke materialen zijn geschikt voor zonnecellen - Interview Martien Vermeulen

2009-08-21

Welke materialen zijn geschikt voor zonnecellen - Interview Martien Vermeulen

2009-08-21 17:19:53 , by Walter Knulst

, 425 views, Walter Knulst, Science,

Link: http://www.tudelft.nl/live/pagina.jsp?id=ea67e4f7-c756-4971-ba6e-bccb1ee35ae4&lang=nl

This article has been publiced last December 2008 in the magazine of DEMO of the TU Delft.

Alternatieve zonnecellen

Delft Chem Tech doet onderzoek naar alternatieve zonnecellen

Onze comforteisen zijn er in de loop van de tijd niet bescheidener op geworden. Gelukkig wil nog niet iedereen een jacuzzi in zijn achtertuin, maar ook zonder die luxe blijft het energieverbruik stijgen. Om in deze behoefte te voorzien en tegelijkertijd het milieu niet nóg meer te belasten, zijn onderzoeken naar alternatieve energievormen hoogst actueel. Bij Delft Chem Tech doet de afdeling Opto-electronic Materials (OM) onderzoek naar alternatieve materialen voor zonnecellen, omdat het huidige materiaal (silicium) erg duur is. Technisch ondersteuner Martien Vermeulen vertelt over dit onderzoek en over de samenwerking met de TU Eindhoven en zijn collega’s van DEMO.
Kunt u in het kort vertellen waar het onderzoek over gaat?
‘Jazeker. In opdracht van prof. dr. Laurens Siebbeles maken wij op de afdeling OM een unieke meetopstelling. Met die opstelling gaan we nieuwe materialen bestuderen die in toekomstige zonnecellen kunnen worden gebruikt. We kijken naar de fundamentele eigenschappen en het gedrag van die nieuwe materialen en hopen daarmee uitspraken te kunnen doen over, bijvoorbeeld, de duurzaamheid en de efficiëntie. Met efficiëntie bedoelen we de hoeveelheid lichtvermogen die kan worden omgezet in elektrisch vermogen.’

Aan wat voor nieuwe materialen moet ik dan denken?

‘Bijvoorbeeld aan nanogestructureerde materialen. Vroeger leerde je bij scheikunde dat wanneer je materiaal deelt totdat het niet verder kan, je uiteindelijk een molecuul of atoom overhoudt en dat ook dat allerkleinste deeltje dezelfde eigenschappen heeft als het materiaal waarmee je begon. Maar bij materiaal met de afmeting van een nanodeeltje blijken de eigenschappen te veranderen als je gaat delen. Die verandering verschilt per materiaal, maar je kunt dan denken aan geleidbaarheid of elasticiteit. Nou, dat soort eigenschappen van materialen onderzoeken wij, met in het achterhoofd de vraag: is dit materiaal – met deze eigenschappen – bruikbaar voor toepassing in een zonnecel?’

Centraal in de meetopstelling staat de elektronenversneller die in samenwerking met DEMO is gebouwd. Wat doet die versneller?

‘Zoals in elke meetopstelling heb je een bron die voor de verstoring zorgt en een meetmethode om de reactie van die verstoring te meten. Als verstoringsbron gebruiken wij elektronen die bijna de lichtsnelheid hebben, omdat we daar heel gericht mee kunnen meten. Zo gericht, dat andere meetopstellingen er niet aan kunnen tippen. De versneller werkt als volgt: een laserpuls maakt elektronen vrij op de beginplaat. Daarna worden de elektronen versneld tot bijna de lichtsnelheid. Deze picoseconde elektronenpuls (*) heeft een energie van ~ 4,5 miljoen volt en een stroom van 1 kilo ampère. Met een tweede laserpuls kunnen wij het materiaal analyseren en in kaart brengen hoe het door de versneller veranderd is. Op basis van die metingen kunnen wij voorspellen of de materialen geschikt zijn voor zonnecellen. En als ze dat niet zijn, wat er verbeterd moet worden om ze wél geschikt te maken.’

Het ontwerp voor de versneller is gemaakt aan de TU van Eindhoven. Wat was precies de rol van DEMO?

‘Het ontwerp van onze elektronenversneller is inderdaad gebaseerd op een ontwerp dat aan de TU Eindhoven (TU/e) is gemaakt. Alleen, zij hadden de versneller niet ontworpen om in een meetopstelling te gebruiken, terwijl dat in ons onderzoek wel de bedoeling was. Dat betekent onder meer dat de versneller intensief gebruikt zal worden. We hebben het ontwerp van de TU/e dus wel als uitgangspunt genomen, maar ook een heleboel aanpassingen doorgevoerd. Om dat goed te doen, hebben we DEMO vanaf het begin betrokken bij het modificeren, ontwerpen en bouwen van onze versneller.’

Hoe verliep de samenwerking met DEMO?

‘Die verliep prima. We hebben in het verleden al vaker met DEMO-medewerkers van de RID-locatie samengewerkt, dus het was niet moeilijk om onze collega’s te vinden. In projecten zoals dit is de bijdrage van DEMO absoluut onmisbaar. Je kunt zonder overdrijven stellen dat deze elektronenversneller niet gebouwd had kunnen worden zonder de positieve en geduldige inzet van DEMO. Het gaat in dit onderzoek om een zeer complexe opstelling die nog nergens anders in de wereld bestaat. Wil je zo’n opstelling kunnen maken, dan ben je als onderzoeker en ook als ondersteuner voortdurend op zoek naar antwoorden op vragen die nooit eerder zijn gesteld. Dat betekent dat je niet eenmalig een ontwerp- en bouwopdracht geeft, maar voortdurend in contact staat met de uitvoerders. De ene dag vraag je ze iets te doen en de volgende dag kom je daar op terug en zeg je: wacht even, ik heb er nog ‘ns over nagedacht, maar het moet toch anders. Zou je dat bij een extern bedrijf doen, dan worden ze gek. Dat is er niet op ingericht om voortdurend in overleg te zijn met zijn klanten.’

Wat kwamen jullie zoal tegen bij het aanpassen van het oorspronkelijke ontwerp?

‘Een van de uitdagingen was het plaatsen van de verwarmingselementen en de koelkanalen. Stel je maar voor: wij hebben 100 Hertz nodig voor de eerste laserpuls. Dat houdt in dat er elke minuut een warmteontwikkeling is in het hart van de versneller die vergelijkbaar is met een grote straalkachel. Daar komt bij dat de temperatuur tijdens de proeven binnen een paar tienden graad stabiel moet blijven én dat alles in een ultrahoog vacuüm moet worden uitgevoerd. Dat zijn opgaven waar je met elkaar heel lang op kunt puzzelen.’

Waarin verschilt deze versneller van een willekeurige ander versneller?

‘Dat verschil zit ‘m in de tijdsduur van de elektronenpuls. Elektronen stoten elkaar af zolang ze nog niet de lichtsnelheid hebben. De beste manier om afstoten te voorkomen, is dus om ze in heel korte tijd op snelheid te krijgen. Om dat te doen heb je grote elektrische velden nodig waardoor de elektronen worden aangetrokken. Die velden kun je creëren, maar dat betekent wel dat je hoge eisen moet stellen aan de maatvoering van het hart van de versneller. Dat was dus een van de onderdelen waar we – samen met DEMO – goed naar hebben gekeken.’

Wat zijn de verwachtingen met het oog op succes?

’We hopen én verwachten met deze meetopstelling nieuwe inzichten te krijgen in de eigenschappen en de dynamica van alternatieve materialen voor zonnecellen. Op termijn zal de opstelling dagelijks worden gebruikt door promovendi, maar voordat het zo ver is, moet er nog wel het nodige werk worden verzet. Het hart van de elektronenversneller is inmiddels geïnstalleerd en we zijn nu zo ver dat we kunnen gaan meten. Voordat we de eerste metingen gaan verrichten, moeten we eerst nog onderzoek doen naar de eigenschappen van de elektronenbundel en kijken op welke onderdelen we de materialen straks willen analyseren. Als we daarmee klaar zijn, starten we de elektronenversneller – als meetinstrument – volgend jaar voor het eerst op.’
(*) Een picoseconde is 1 biljoenste seconde.