Afstudeerder analyseert stroomraam

Een raam dat elektriciteit opwekt door een deel van het opvallende licht naar zonnecellen in het kozijn te sturen. Dat willen we allemaal wel. Ir. Jan Willem Wiegman studeert er vandaag op af bij Technische Natuurkunde.

Een stroomraam absorbeert het hoogenergetisch deel van het spectrum, zet het om in een andere kleur en geleidt dat naar zonnecellen in het kozijn – Illustratie: Eric Verdult.

Wiegman sluit zijn studie af met een artikel in het vakblad Solar Energy Materials & Solar Cells dat hij samen schreef met zijn afstudeerbegeleider dr.ir. Erik van der Kolk (TNW). Daarin nemen ze het stroomraam onder de loep dat onder ingewijden beter bekend is als ‘luminescente zonneconcentratoren’, een letterlijke vertaling van de Engelse term luminescent solar concentrators.

Hoe werkt het? De term ‘luminescentie’ geeft een clue. Dat verschijnsel is bekend van mineralententoonstellingen waar saaie stenen onder belichting met ultraviolet licht opeens de wonderlijkste kleuren vertonen. De mineralen nemen energie op van hoogenergetische straling en zenden het op een andere (lagere) golflengte uit.

Een hypothetisch stroomraam heeft een dun laagje met luminescent materiaal (3 micrometer in deze studie) dat ultraviolet straling omzet naar zichtbaar licht (oranje in dit geval) dat zich door de laag naar de randen beweegt waar het opgevangen wordt door een strip van zonnecellen. Zo zijn niet alleen ramen stroomproducerend te maken, maar ook glazen gevelpanelen.

Dat klinkt aantrekkelijk, maar de praktijk is weerbarstig. Afstudeerbegeleider Erik van der Kolk somt een aantal tussenstappen op in het omzettingsproces: het licht moet niet reflecteren, het moet opgevangen worden door het luminescente materiaal. Dat moet licht uitzenden, het licht moet zich door de laag naar de rand bewegen en ondertussen niet verstrooid of geabsorbeerd raken.

De verdienste van de studie is dat Wiegman en Van der Kolk al die stappen in detail bepaald hebben voor een sample van vijf bij vijf centimeter, al is de uikomst niet bemoedigend. Slechts een op de acht uv-fotonen leidt tot een lichtfoton op de zonnecel (quantumefficientie 13 procent).

Nu zijn zonnecellen ook niet perfect zodat de omzetting naar stroom nog een stuk lager ligt. Bij een rendement van 15 procent van de PV-cel bedraagt het ketenrendement dan nog maar 2 procent. Volgens de onderzoekers zijn met getinte, niet te grote vensters (1 x 1 meter) rendementen van 5 procent haalbaar.

Verder onderzoek is erop gericht om geschikte luminescente materialen te vinden en te optimaliseren. Ook het lichttransport door de dunne laag moet nog verbeterd worden, want nu komt het licht amper 10 centimeter ver voordat het verstrooid of geabsorbeerd is.

Van der Kolk zet het onderzoek naar luminescente materialen voort en is op zoek naar een industriële partner om daarmee in aanmerking te komen voor onderzoeksfinanciering onder het topsectorenbeleid.

→ J.W.E. Wiegman, E. van der Kolk, Building integrated thin film luminescent solar concentrators: detailed efficiency characterization and light transport modelling, Solar Energy Materials & Solar Cells 103 (2012) 41-47.