Nanotechnologie en en zonne- zonne energie een toekomstvisie Prof Dr Jean

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Nanotechnologie en en zonne- zonne energie een toekomstvisie Prof Dr Jean"

Bruno Segers
8 jaren geleden
Aantal bezoeken:

1 Nanotechnologie en zonne-energie een toekomstvisie Prof. Dr. Jean Manca Universiteit Hasselt - Instituut voor Materiaalonderzoek IMEC - geassocieerd labo IMOMEC WLS 26 april 2010

2 Nanotechnologie & zonne-energie een toekomstvisie UHasselt/IMO/IMEC.. : Who is who? De Tera-Watt uitdaging De zon is een oplossing Nanotechnologie & PV Toekomst : Scenario 2020

3 IMO - IMOMEC Instituut t voor IMOMEC Materiaalonderzoek (IMO) Onderzoeksinstituut Divisie van IMEC vzw UHasselt Fundamenteel onderzoek Toegepast Onderzoek

4 IMO - IMOMEC Instituut t voor IMOMEC Materiaalonderzoek (IMO) Onderzoeksinstituut Divisie van IMEC vzw UHasselt Fundamenteel onderzoek Toegepast Onderzoek IMO-IMOMEC IMOMEC Wetenschapspark 1 B-3590 Diepenbeek 90 wetenschappers en ingenieurs 20 technici en administratief personeel

onderzoek Toegepast Onderzoek IMO-IMOMEC IMOMEC Wetenschapspark 1

5 IMO - IMOMEC Kerncompetentiedomein ONTWIKKELING EN ONDERZOEK VAN MATERIALEN VOOR GEBRUIK IN MICRO ELEKTRONICA, OPTO-ELEKTRONICA, O O BIO-ELEKTRONICA EN NANOTECHNOLOGIE Focus: organische halfgeleiders nanogestructureerde anorganische Focus: organische halfgeleiders, nanogestructureerde anorganische materialen en kunstmatig diamant

NANOTECHNOLOGIE Focus: organische halfgeleiders nanogestructureerde anorganische

6 Verwevenheid onderzoek/onderwijs Wetenschappen- & Ingenieursopleidingen ism TU/e

7 Universiteit Hasselt Onderzoeksondersteund onderwijs

8 Nanotechnologie & zonne-energie een toekomstvisie UHasselt/IMO/IMEC.. : Who is who? Energie voor toekomstige generaties De Tera-Watt uitdaging De zon is een oplossing Nanotechnologie & PV Toekomst : Scenario 2020

9 Energie voor toekomstige generaties

10 Prognose populatie

11 De Tera-Watt (TW=10 12 W) uitdaging Globaal energie verbruik : 15 TW (2050 : 30 TW)

12 De Tera-Watt (TW=10 12 W) uitdaging

13 Energieverbruik België In % van het totaal Totaal verbruik van primaire energie (a) Vaste brandstoffen 22,8% 19,1% 12,9% 14,3% 13,2% 11,7% 10,6% 11,2% Aardolie en aardolieproducten 51,9% 39,2% 40,9% 40,0% 41,0% 40,0% 41,4% 39,2% Aardgas 19,4% 20,4% 23,1% 22,8% 22,7% 24,0% 24,7% 25,5% Kernenergie 6,2% 20,6% 22,1% 21,3% 20,7% 22,1% 21,2% 21,5% Hernieuwbare en gerecupereerde brandstoffen (b) N/A N/A 0,8% 0,9% 0,9% 0,9% 1,1% 1,2% Overige N/A N/A 0,2% 0,7% 1,4% 1,2% 1,0% 1,0% (a) Ktoe: ton olie-equivalent kilocalorie. (b) Vanaf N/A: niet beschikbaar.

22,8% 22,7% 24,0% 24,7% 25,5% Kernenergie 6,2% 20,6% 22,1% 21,3% 20,7% 22,1% 21,2% 21,5% Hernieuwbare en gerecupereerde brandstoffen (b) N/A N/A 0,8% 0,9% 0,9% 0,9% 1,1% 1,2%

14 Evolutie fossiele brandstoffen Wereldwijd : totale capaciteit = 13 TW Voornamelijk op basis van aardolie, gas en steenkool Nucleare capaciteit gelimiteerd en gecentraliseerd in een beperkte groep van landen (US, Canada, France, ) TW ,52 2,7 2,96 0,286 1,21 0,286 0,828 Oil Gas Coal Wind Biomass PV Nuclear

gelimiteerd en gecentraliseerd in een beperkte groep van landen (US, Canada,

15 Evolutie fossiele brandstoffen Reserves (niet goed gedefinieerd): Aard-olie: 40 jaar Aardgas: 70 jaar Steenkool: 200 jaar

16 Evolutie van CO 2 Source: IEA IPCC-2007

17 Evolutie van CO 2 Toename van CO 2 -niveau in atmosfeer dient onder controle gebracht te worden (nu 380 ppm = 30-40% hoger dan 100 jaar geleden) Hoffert, University of New York: 450 ppm: onherstelbare schade van koraalriffen 550 ppm: smelten van West Antarctica ti ijsbanken Koolstof-neutrale oplossingen: Nucleair: niet echt duurzaam Hernieuwbare energie : wind, biomassa, zon

ppm: onherstelbare schade van koraalriffen 550 ppm: smelten van West Antarctica ti ijsbanken

18 Evolutie van CO 2 The Kyoto Protocol treaty was negotiated in December 1997 at the city of Kyoto, Japan and came into force February 16th, "The Kyoto Protocol is a legally binding agreement under which industrialized countries will reduce their collective emissions of greenhouse gases by 5.2% compared to the year (België : -7,5 %)

"The Kyoto Protocol is a legally binding agreement under which industrialized

19 Energie-beleid Europa Doel: gebruik van fossiele brandstoffen afbouwen en zoeken naar duurzame en veilige energie -> op deze manier de CO 2 uitstoot verminderen Doelstelling voor 2020 : 20% energieverbruik in Europa = hernieuwbare energie 13% energieverbruik in België = hernieuwbare energie (2.2% 2% in 2005)

verminderen Doelstelling voor 2020 : 20% energieverbruik in Europa =

20 Hernieuwbare energie België vs Europa

21 Zonne-energie

22 Zonne-spectrum Zwarte straling λ p T = 2, m.k T = 2500 C T = 5700 C 550 nm

23 Binnen atmosfeer aarde Zonne-spectrum

24 Zonne-spectrum Binnen atmosfeer aarde Gates et al.: spectral properties of plants

25 Zonne-spectrum 10 micron

26 Fotovoltaïsche energie (PV) Fotovoltaïsche zonne-energie = Omzetting van licht-energie in elektriciteit Absorptie van licht (foton) Creatie van elektron-gat paren (resp. negatieve en positieve lading) Scheiding van gaten (+) en elektronen (-) Ladingstransport doorheen materiaal door diffusie of drift Via elektrodes, elektrische stroom (energie) naar elektrische toepassing

27 Fotovoltaïsche energie (PV) Fotovoltaïsche zonne-energie = Omzetting van licht-energie in elektriciteit Si : Eg = 1.1 ev ; 99% PV markt Efficiëntie commerciële Si-zonnecel : 10-15% (> efficiëntie fotosynthese) Piekvermogen zonlicht : 1000 W/m 2 => 100 W 150 W elektrisch vermogen / m 2 Energie-conversie & lichtdetectoren

28 De zon is een oplossing

29 PV is een oplossing California: 1m²=1 vat/jaar België: 2m² 1.5% van Europa = globale elektriciteitsvraag raa (η=12%)

30 PV is een oplossing Zonne-energie : hoogste energie-opbrengst per hectare Maar Hoogste kostprijs! =>voor TW-uitdaging lagere kostprijs PV

31 PV-kosten: leercurve Kost van PV daalt met 20% bij verdubbeling van wereldwijd geaccumuleerd geproduceerd volume ; 2 drijfkrachten : Scale learning Technology learning : nieuwe (nano)technologie leidt tot versnelling leercurve Kost van PV gelijk aan energie-generatie generatie met fossiele brandstoffen bij een geproduceerd volume > 100 GW 100 Cost/ /Wp [$/W] Accumulated production [MW]

32 Nanotechnologie & PV Nanotechnologie Multidisciplinaire wetenschap op zeer kleine schaal (1 nanometer = 10-9 m)

33 Nanotechnologie & PV Nanotechnologie Multidisciplinaire wetenschap op zeer kleine schaal (1 nanometer = 10-9 m) Nieuwe Materialen Niet-conventionele halfgeleiders : Halfgeleidende polymeren, oligomeren, C60-derivaten, koolstof nanobuizen, metaaloxide nanodeeltjes,. Nieuwe Concepten 3D nanogestructureerde heterojunctie zonnecellen

34 PV generaties 1 e generatie PV : silicium wafer-gebaseerde technologie 2 e generatie PV : dunne films op ander substraat, vb. polykristallijn silicium op glas 3 e generatie PV : dunne-film energie-conversie Organische zonnecellen Hybride zonnecellen Nanotechnologie

35 Organische halfgeleiders Geconjugeerde polymeren Nobel Chemie 2000

36 Plastic Elektronica-laboratorium IMO MBraun glovebox: N2 atmosphere Class A solar simulator Wafer probe

37 Dikte : 100 nm => 1000X dunner dan Si Organische zonnecellen

38 Dikte : 100 nm => 1000X dunner dan Si Organische zonnecellen

39 Werkingsprincipe Donor materiaal e.g. MDMO-PPV Licht absorptie (1) Acceptor materiaal Exciton formatie (2) e.g. PCBM Exciton diffusie (3) hν 39

40 Werkingsprincipe Donor materiaal e.g. MDMO-PPV Acceptor materiaal e.g. PCBM Licht absorptie (1) Exciton formatie (2) Exciton diffusie (3) Ladingsscheiding idi (4) + 40

41 Werkingsprincipe Donor materiaal e.g. MDMO-PPV Light absorption (1) Acceptor materiaal Exciton formation (2) e.g. PCBM Exciton diffusion (3) + Ladingsscheiding idi (4) Ladingstransport (5) Ladingscollectie (6) 41

42 Werkingsprincipe 42

43 Materiaalstudie op nanoschaal Analytische technieken voor studie van morfologie (TEM, SEM, EBSD, EBIC, XRD, SPM, NMR,..) P3HT:PCBM Nanoschaal elektrische metingen PEO-PPV:PCBM

44 Elektro-optische eigenschappen Goris et al. APL 2006 Benson-Smith et al. AFM 2007 High sensitive spectroscopy (FTPS) E MDMO-PPV CT MDMO-PPV PCBM PCBM Highly sensitive EQE measurements

45 Stabiliteit/Levensduur 45

46 PV generaties 1 e generatie PV : silicium wafer-gebaseerde technologie 2 e generatie PV : dunne films op ander substraat, vb. polykristallijn silicium op glas 3 e generatie PV : dunne-film energie-conversie Organische zonnecellen Hybride zonnecellen Nanotechnologie

47 Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC Artificiële fotosynthese ITO <10Ω/sq Nanocrystalline TiO 2 Film : μm Deeltjes : nm

48 Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC

49 Grätzel-, kleurstof-zonnecel, DSCC

50 5 0

52 PV-zonnebril 5 2

53 Hybride zonnecel Polymeer:metaaloxide PV: combinatie v/h beste van 2 werelden GROENE Hybride zonnecellen : Water als solvent! ZnO-nanostaafjes L.Baeten (UHasselt), 2008

54 PV generaties 7.9 %

55 Organische zonnecellen : Roadmap Irrad diance (W.m -2.nm -1 ) AM 1.5 MDMO-PPV c-si α (cm -1 ) λ (nm) 10

56 Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Lage kost & grote oppervlakken (outdoor) Laag gewicht : o.a. mobiele toepassingen plastic substraten t < 1 micron totale dikte van device Breed toepassingsgebied Werkt ook onder lage lichtintensiteit (vb. indoor) Minder afhankelijk van invalshoek licht Eenvoudige preparatie lage T opdamping of printing (vb. Inktjet, Spray-coating)

57 Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Esthetisch Design vrijheid Semi-transparent (vb. Architectuur) p ( ) Flexibel (vb. integratie in textiel)

58 Organische zonnecellen : Voordelen & toekomst Esthetisch Design vrijheid Semi-transparent (vb. Architectuur) p ( ) Flexibel (vb. integratie in textiel)

59 PV : een snelgroeiende markt World PV Growth ( ) % Source: Photon International % 42% 40% 40% 34% 67% 45% 40% 69% 70% 50% Gr rowth Rate [Mwp/y] % 10% Solar Cell Production Yearly Growth rate -10% -30% Solar Cell Production Yearly Growth rate 30% 42% 40% 40% 34% 67% 45% 40% 69% -50%

60 PV schept economische kansen Source: The McKinsey Quarterly, the economics of solar power, june 2008

61 PV : een zonnige toekomst

62 Join us towards an intelligent and sustainable future

Vergelijkbare documenten

Visionair Scenario PV

Visionair Scenario PV Nanotechnologie &PV:een toekomstvisie Jean V. Manca Universiteit Hasselt-IMEC./IMOMEC jean.manca@uhasselt.be Heusden-Zolder, 11 mei 2012 De toekomst van zonnecellen De Tera-Watt uitdaging