Zonnepanelen kunnen veel efficiënter, met dank aan de vlinder


Foto: Greg Hume (Greg5030)

Zonnepanelen zijn inmiddels alom aanwezig. Ze liggen op daken en staan in weilanden, al dan niet in
het gezelschap van grazend vee. De zonnecellen in de panelen zijn gemaakt van een materiaal waarin elektrische stroom wordt opgewekt als er licht op valt (het fotovoltaïsch effect).

Een nog weinig toegepaste techniek is de dunne film zonnecel. Deze is vele malen dunner dan de conventionele zonnecellen die op daken liggen. Het voordeel is dat de cellen flexibel zijn, waardoor de panelen allerlei vormen kunnen aannemen. Ook wordt tijdens de productie minder materiaal en energie gebruikt. Nadelig is dat dunne film zonnecellen minder efficiënt zijn. Daarom worden ze voornamelijk gebruikt in systemen die weinig stroom verbruiken, zoals zakrekenmachines of horloges.

Het streven is om de efficiëntie van de dunne film zonnecellen te vergoten, waardoor ze ook in aanmerking komen voor andere toepassingen. Een manier om dat te doen is om zo veel mogelijk van het erop vallende licht te absorberen. Gereflecteerd of doorgelaten licht wordt immers niet benut om stroom op te wekken.

Het is geen toeval dat de meeste zonnecellen een donkere kleur hebben. Zichtbaar licht bevat een spectrum aan kleuren, variërend van violet tot rood, zoals goed is te zien in een ­regenboog. Witte pigmenten (kleurstoffen) ­reflecteren alle lichtkleuren, terwijl zwarte pigmenten juist alle kleuren van het spectrum absorberen. Om de lichtabsorptie van dunne film zonnecellen te verbeteren hebben onderzoekers daarom gekeken hoe de natuur donkere kleuren fabriceert. Meer specifiek werden inzwarte zwaluwstaartvlinders onderzocht.

Functionaliteit viert in de natuur hoogtij
De lichaamstemperatuur van vlinders is sterk afhankelijk van de omgevingstemperatuur. Na een koude nacht moeten ze eerst in de zon opwarmen voordat hun lichaamstemperatuur hoog genoeg is om rond te kunnen fladderen. Een zwarte kleur is daarvoor erg ­geschikt. Ook laat een diepzwarte omlijsting een felle kleur nog beter uitkomen. Met opvallende kleuren trekken vlinders een partner aan of communiceren ze hun giftigheid aan potentiële belagers.

Uit onderzoek blijkt dat de zwaluwstaartvlinders hun intens zwarte kleur niet alleen hebben te danken aan donkere pigmenten. De schubben van de vleugels zijn bedekt met een roosterstructuur op nanoschaal. De piepkleine gaatjes van het rooster vangen het licht op en leiden dat naar de pigmenten, die zo meer van het opvallende licht absorberen.

De roosterstructuur is niet regelmatig. De gaatjes hebben verschillende diameters en zijn onregelmatig gerangschikt. Omdat functionaliteit hoogtij viert in de natuur, vroegen ­onderzoekers zich af of deze onregelmatigheid nuttig is. Daarom vergeleken ze een viertal computermodellen met elkaar. Model 1 had geen gaatjes (vlak) en nummer 2 had een rooster met regelmatig geordende gaatjes met allemaal dezelfde diameter. Model 3 had ook regelmatig geordende gaatjes, maar met verschillende diameters. Nummer 4 ten slotte, had net als de vlinder onregelmatig geordende gaatjes met verschillende diameters.

90 tot 200 procent meer licht
Van deze modellen werd bepaald hoe goed ze de verschillende kleuren van het licht absorberen. Ook werd bekeken hoe de modellen presteren bij verschillende invalshoeken van het licht. Dat is belangrijk omdat de positie van de zon, en dus de inval van zonlicht, afhangt van de breedtegraad en het tijdstip van de dag.

Uit de berekeningen volgde dat alle modellen met gaatjes meer dan twee keer zoveel licht absorberen dan het vlakke materiaal zonder gaatjes. Bovendien bleek dat nummer 4, het vlindermodel, over het hele bereik aan lichtkleuren en invalshoeken het best presteert.

Het bleef niet bij berekeningen. Ook werden op de vlinder geïnspireerde dunne film zonnecellen gefabriceerd. Deze absorbeerden 90 tot 200 procent meer licht, afhankelijk van de invalshoek van het zonlicht. Onregelmatig geordende gaatjes met verschillende diameters zijn dus inderdaad reuzefunctioneel.

Gepubliceerd in dagblad Trouw op 5 maart 2019

Ylva Poelman alias De Bionische Vrouw
Ynnovator www.ynnovator.nl
T: 06 - 22 79 71 84