Reabsorption losses in Luminescent Solar Concentrators

Sara Peeters
 Zonne-energie: (bijna) gratis?De verkopers van zonnepanelen probeerden het te verzwijgen, de overheid probeerde het te compenseren met subsidies, maar ondertussen haalde het ook meermaals het nieuws, en nu weet iedereen het: de prijs die we betalen om zonlicht om te zetten in elektriciteit is nog veel te hoog. De belangrijkste reden daarvoor is dat zonnepanelen grote hoeveelheden van het halfgeleidermateriaal silicium bevatten; en dat is, zoals de meeste halfgeleiders, allesbehalve goedkoop.Zonlicht concentrerenSilicium goedkoper maken is niet echt een optie.

Reabsorption losses in Luminescent Solar Concentrators

 Zonne-energie: (bijna) gratis?

De verkopers van zonnepanelen probeerden het te verzwijgen, de overheid probeerde het te compenseren met subsidies, maar ondertussen haalde het ook meermaals het nieuws, en nu weet iedereen het: de prijs die we betalen om zonlicht om te zetten in elektriciteit is nog veel te hoog. De belangrijkste reden daarvoor is dat zonnepanelen grote hoeveelheden van het halfgeleidermateriaal silicium bevatten; en dat is, zoals de meeste halfgeleiders, allesbehalve goedkoop.

Zonlicht concentreren

Silicium goedkoper maken is niet echt een optie. Wat wel mogelijk is, is er minder van gebruiken. Het idee bestaat al langer. In plaats van een groot zonnepaneel gebruik je een concentrator die het licht dat invalt op een groot oppervlak samenbrengt op een mini-zonnepaneel. Standaard gebeurt dit met een parabolische spiegel. Het grote nadeel van deze methode is dat het alleen werkt als de spiegel constant naar de zon gericht is. Behalve de spiegel heb je er dus ook een motor voor nodig. En die kost dan weer geld, neemt extra plaats in en moet onderhouden worden. Een tweede nadeel is vooral belangrijk voor het gebruik in regio’s waar men niet voortdurend van een straalblauwe hemel kan genieten, zoals in België. Dit soort concentrator concentreert namelijk alleen licht dat recht van de zon komt, en niet het verstrooide licht dat via een dun wolkendek toch nog de aarde bereikt. Onderzoekers van verschillende universiteiten en bedrijven zijn zich bewust van deze nadelen, en zoeken nog steeds naar betere oplossingen en alternatieven.

Sara Peeters (Universiteit Gent) onderzocht in het kader van haar masterthesis in samenwerking met Philips Research en de Technische Universiteit Eindhoven de werking van luminescente zonneconcentratoren. Deze bestaan voornamelijk uit een transparante plastic plaat met daarin zogeheten luminescente materialen. Deze luminescente materialen absorberen licht van bepaalde golflengtes (kleuren) en zenden daarna licht van langere golflengtes uit. Je vindt ze bijvoorbeeld in glow in the dark figuurtjes. Het grootste verschil is dat de materialen die we hier gebruiken niet zo lang nagloeien. De bedoeling is dat het licht dat op de plastic plaat invalt, er niet los doorheen gaat, maar door de luminescente materialen wordt geabsorbeerd om vervolgens opnieuw uitgezonden en naar de zijkanten van de plaat geleid te worden. Daar worden de mini-photovoltaische zonnepaneeltjes bevestigd, die het licht omzetten in elektriciteit.

Van theorie naar praktijk: verliezen

Het is onmogelijk om al het licht naar de zonnepanelen aan de zijkant te leiden, en als je niet oplet kan er zelfs heel veel licht onderweg verloren gaan. Denk maar aan de luminescente materialen die slechts bepaalde golflengtes absorberen. Bovendien zetten ze een deel van het geabsorbeerde licht niet om in licht, maar in warmte.

Het licht in de plastic plaat houden is een ander probleem. Voor 75% gebeurt dat vanzelf, door het fenomeen dat we totale interne reflectie noemen. Licht dat zich in de plaat bevindt en met een hoek groter dan een bepaalde minimum hoek tegen de rand botst zal volledig gereflecteerd worden, en blijft dus in de plaat. De overige 25 % gaat langs de boven en onderkant naar buiten. Willen we een groter deel van het licht binnen houden, dan moeten we extra filters op de plaat aanbrengen. Omdat een filter steeds in twee richtingen werkt hebben we filters nodig die de golflengtes die door de luminescente materialen geabsorbeerd kunnen worden doorlaten, en de golflengtes die door de materialen worden uitgezonden reflecteren.

Een laatste belangrijke verliespost is reabsorptie. Stel je voor dat je een luminescente zonneconcentrator maakt met een luminescent materiaal dat blauw licht en in mindere mate ook groen en geel licht opneemt, en daarna een klein beetje geel, maar vooral oranje en rood licht terug uitzendt. Als blauw licht geabsorbeerd wordt door een luminescent deeltje in de plaat, en daarna als geel licht terug wordt uitgezonden (dat is mogelijk, hoewel de kans groter is dat het oranje of rood is), dan kan dat gele licht een ander luminescent deeltje tegen komen op zijn weg naar de rand van de plaat. Dat deeltje kan het gele licht opnemen en oranje of rood licht terug uitzenden. Maar omdat de luminescente deeltjes niet perfect zijn, kan er bij elke lichtopname energie verloren gaan. Hoe groter de plaat, hoe belangrijker de verliezen door reabsorptie worden.

Testen, vergelijken, verbeteren

Door de verschillende nieuw ontwikkelde materialen en filters te testen en te optimaliseren, zullen we de verliezen over niet al te lange tijd tot een minimum kunnen herleiden. Ook andere vragen moeten nog opgelost worden: wat is de ideale grootte van een luminescente zonneconcentrator? Welke vorm heeft hij best? Welke zonnepanelen gebruiken we? Om dit allemaal te bepalen zijn zowel computersimulaties als experimenten nodig.

In dit project werd een testopstelling ontwikkeld, waarmee de verliezen van verschillende luminescente materialen in luminescente zonneconcentratoren gemeten en vergeleken kunnen worden. Het resultaat is een grafiek met op de horizontale as de afstand die het licht moet afleggen voor het de zijkant van het plaatje bereikt, en op de verticale as de hoeveelheid licht die de zijkant bereikt. Naargelang hoe goed het luminescente materiaal is, en welke filters en spiegels je gebruikt hebt op de andere zijkanten en de boven en onderkant van het plaatje, bekom je een dalende curve met een andere helling. Op die manier kan je verschillende luminescente materialen, maar ook opstellingen met verschillende filters gemakkelijk met elkaar vergelijken. Het uiteindelijke doel is een curve te bekomen die zo hoog en zo vlak mogelijk is.  Het perfecte luminescente materiaal ontdekken en testen zat er nog niet in. Maar de resultaten zullen in de toekomst zeker gebruikt worden om nieuwe luminescente materialen te testen en te vergelijken.

De tweede opdracht die binnen het project werd uitgevoerd was het simuleren van de testopstelling. De grote vraag hier was of het simulatieprogramma wel hetzelfde resultaat zou uitkomen als het experiment. Eens dat het geval is, kunnen vragen over de ideale grootte en vorm van de zonneconcentrator ook met de computer opgelost worden, wat veel sneller gaat dan alles uitproberen. Voorlopig zijn er echter nog te grote verschillen tussen de simulaties en de realiteit. Vooral de gladheid van de randen van de plastic plaat blijkt een grote invloed te hebben. Iets waar voordien nog nooit rekening mee gehouden werd. In de toekomst zal men dit dus nauwkeurig moeten opmeten en inbrengen in het simulatiprogramma.

Dit project zette een klein stapje in de ontwikkeling van een revolutionaire manier om zonlicht om te zetten in elektriciteit. Fikse kortingen op zonne-energie zijn zeker nog niet voor morgen. Toch is het een hele geruststelling dat onderzoekers er elke dag aan werken, groene energie veiliger, goedkoper en efficiënter te maken. 

Bibliografie

Bij het kopiëren van de bibliografie naar dit tekstvak zijn hier en daar fouten opgetreden. De bibliografie is ook terug te vinden achteraan de scriptie.

 [1] A. Luque, A. Marti, A. Bett, V. M. Andreev, C. Jausaud, J. A. M. van Roosmalen, J. Alonso, A. Rauber, G. Strobl, and W. Stolz, \Fullspectrum: a new pv wave making

more efficient use of the solar spectrum," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 87, pp. 467{479, 2005.[2] G. Smestad, Optoelectronics of solar cells. SPIE, The International Society for Optical Engineering, 2002.[3] U. Rau, F. Einsele, and G. C. Glaeser, \Efficiency limits of photovoltaic fluorescent collectors," Applied physics letters, vol. 87, p. 171101, 2005.[4] G. Smestad, H. Ries, R. Winston, and E. Yablonovich, \The thermodynamic limits of light concentrators," Solar Energy Materials, vol. 21, pp. 99{111, 1990.[5] A. M. Hermann, \Luminescent solar concentrators - a review," Solar Energy, vol. 29, pp. 323{329, 1982.[6] W. H. Weber and J. Lambe, \Luminescent greenhouse collector for solar radiation," Applied Optics, vol. 15, pp. 2299{2300, 1976.[7] A. A. Earp, G. B. Smith, J. Franklin, and P. Swift, \Optimisation of a three-colour luminescent solar concentrator daylighting system," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 84, pp. 411{426, 2004.[8] P. Swift and G. B. Smith, \Color considerations in fluorescent solar concentrator stacks," Applied Optics, vol. 42, pp. 5112{5117, 2003.[9] T. Markvart, \The thermodynamics of optical etendue," Journal of Optics A: pure and applied optics, vol. 10, 2008.[10] P. Scudo, L. Abbondanza, and R. Fusco, \Spectral converters and luminescent solar concentrators," arXiv preprint, vol. 0907.3551, 2009.[11] D. K. G. de Boer, \Optimizing wavelength-selective lters for luminescent solar concentrators," SPIE proc., vol. 7725, april 2010.[12] A. Zastrow, \The physics and applications of fluorescent solar concentrators: a review," SPIE, vol. 2255, pp. 534{547, 1994.[13] B. Rowan, L. R. Wilson, and B. S. Richards, \Advanced material concepts for luminescent solar concentrators," IEEE journal of selected topics in quantum electronics, vol. 14, pp. 1312{1322, 2008.[14] V. Sholin, J. D. Olson, and S. A. Carter, \Semiconducting polymers and quantum dots in luminescent solar concentrators for solar energy harvesting," Journal of Applied Physics, vol. 101, 2007.[15] R. Reisfeld, \Future technological applications of rare-earth-doped materials," Journal of the Less-Common Metals, vol. 93, pp. 243{251, 1983.[16] A. Goetzberger, High-Ecient Low-Cost Photovoltaics, vol. 140 of Springer Series in Optical Sciences, ch. 10, Fluorescent solar energy concentrators: principle and present state of development, pp. 159{176. Springer Berlin Heidelberg, 2009.[17] J. C. Goldschmidt, M. Peters, F. Dimroth, A. W. Bett, L. Steidl, R. Zentel, M. Hermle, S. W. Glunz, and G. Willeke, \Developing large and efficient fluorescent concentrator systems." Presented at the 24th European PV solar energy conference and exhibition, september 2009.[18] M. J. Currie, J. K. Mapel, T. D. Heidelm, S. Gori, and M. A. Baldo, \High-effciency organic solar concentrators for photovoltaics," Science, vol. 321, pp. 226{228, 2008.[19] J. C. Goldschmidt, M. Peters, A. Bosch, H. Helmers, F. Dimroth, S. W. Glunz, and G. Willeke, \Increasing the efficiency of fluorescent concentrator systems," Solar Energy Materials and Solar Cells, vol. 93, pp. 176{182, 2009.[20] J. C. Goldschmidt, M. Peters, L. Pronneke, L. Steidl, R. Zentel, B. Blasi, A. Gombert, S. Glunz, G. Willeke, and U. Rau, \Theoretical and experimental analysis of photonic structures for fluorescent concentrators with increased efficiencies," Phys. Stat. Sol., vol. 205, pp. 2811{2821, 2008.[21] M. G. Debije, M. Van, P. P. C. Verbunt, M. J. Kastelijn, R. H. L. van der Blom, D. J. Broer, and C. W. M. Bastiaansen, \Effect on the output of a luminescent solar concentrator on application of organic wavelength-selective mirrors," Applied Optics, vol. 49, pp. 745{751, 2010.[22] C. L. Mulder, P. D. Reusswig, A. M. Velazquez, H. Kim, C. Rotschild, and M. A. Baldo, \Dye alignment in luminescent solar concentrators: 1. vertical alignment for improved waveguide coupling," Optics Express, vol. 18, pp. 79{90, 2010.[23] P. P. C. Verbunt, A. Kaiser, K. Hermans, C. W. M. Bastiaansen, D. J. Broer, and M. G. Debije, \Controlling light emission in luminescent solar concentrators through use of dye molecules aligned in a planar manner by liquid crystals," Advanced Functional Materials, vol. 19, pp. 2714{2719, 2009.[24] A. De Vos and F. Strubbe, \Solar cells, notes accompanying course 900132: photovoltaic solar energy conversion.." Ghent University.[25] Y.-H. Zhang, \Research highlights of the optoelectronics group at arizona state university." on-line: http://asumbe.eas.asu.edu/.[26] W. G. J. H. M. van Sark, \Teaching the relation between solar cell eciency and annual energy yiels," European journal of physics, vol. 28, pp. 415{427, 2007.[27] D. Feuermann and J. M. Gordon, \High-concentration photovoltaic designs based on miniature parabolic dishes," Solar Energy, vol. 70, pp. 423{430, 2001.[28] BASF, \Lumogen f rot 305, product specication." on-line: http://www.performancechemicals.basf.com/ev-wcms-in/internet/de_DE/func…] L. R. Wilson, B. Rowan, N. Robertson, O. Moudam, A. C. Jones, and B. S. Richards, \Characterization and reduction of reabsorption losses in luminescent solar concentrators," Applied Optics, vol. 49, pp. 1651{1661, 2010.[30] C. Ronda, Luminescence: from theory to applications, ch. 1: Emission and excitation mechanisms of phosphors, pp. 1{34. Wiley-VCH, 2008.[31] Oceanoptics, \Usb optical bench options." on-line: http://www.oceanoptics.com/product/benchoptions_usb4.asp.[32] Sony, \Sony ilx 511, 2048 pixel ccd linear image sensor (b/w): Datasheet." on-line: http://www.oceanoptics.com/technical/detectorsonyILX511.pdf.[33] P. Kittidachachan, L. Danos, T. Meyer, N. Alderman, and T. Markvart, \Photon collection efficiency of fluorescent solar collectors," Chimia, vol. 61, no. 12, pp. 780{786, 2007.[34] T. Dienel, C. Bauer, I. Dolamic, and Bruhwiler, \Spectral-based analysis of thin film luminescent solar concentrators," Solar Energy, vol. 84, pp. 1366{1369, 2010.[35] C. K. Lo, Y. S. Lim, S. G. Tan, and F. A. Rahman, \A new hybrid algorithm using thermodynamic and bacward ray-tracing approaches for modeling luminescent solar concentrators," Energies, vol. 3, pp. 1831{1860, 2010.[36] A. J. Chatten, D. Farell, C. Jermyn, P. Thomas, B. F. Buxton, A. Buchtemann, R. Danz, and K. W. J. Barnham, \Thermodynamic modeling of luminescent solar concentrators," IEEE, pp. 82{85, 2005.[37] A. R. Burgers, L. H. Sloo, R. Kinderman, and J. A. M. van Roosmalen, \Modelling of luminescent concentrators by ray-tracing," in 20th European photovoltaic solar energy conference and Exhibition, 2005.