Plasmonen vouwen licht op in nieuw type ultra-dunne zonnecel

Onderzoekers van het FOM-instituut AMOLF hebben met collega's in Californië, Utrecht en Eindhoven een nieuwe methode ontwikkeld om ultra-dunne en daardoor zeer goedkope zonnecellen te maken. De zonnecel wordt bedekt door een dunne laag nanodeeltjes die ervoor zorgt dat het licht in de zonnecel wordt 'opgevouwen'. Daardoor wordt het licht beter geabsorbeerd en kan de zonnecel met minder materiaal toe. De methode is zo efficiënt dat het zelfs mogelijk wordt zonnecellen te ontwikkelen van zeldzame materialen, waarvan tot nu toe werd verondersteld dat er voor grootschalige productie van zonnecellen te weinig van op aarde voorhanden waren. De onderzoekers publiceren hun werk op 19 februari in het toonaangevende tijdschrift Nature Materials.

Elektriciteit opwekken met zonnecellen is nog steeds relatief duur. Een verlaging van de kostprijs van zonnecellen met een factor twee tot drie is nodig om zonnestroom competitief te maken met conventionele energiebronnen. De kosten van het materiaal vormen een belangrijk deel van de kostprijs: in een standaard zonnecel die gemaakt is van silicium is dit zelfs 75 %. De dikte van zo'n zonnecel is 0.3 mm. Wereldwijd wordt veel onderzoek gedaan om zonnecellen dunner en daarmee dus goedkoper te maken. Een fundamenteel probleem is echter dat dunnere zonnecellen het zonlicht slecht opvangen. Vooral het infrarode licht van de zon gaat dwars door een dunne zonnecel heen.

Opvouwen

Een oplossing voor dit probleem is het licht 'op te vouwen ' in de zonnecel. Het wordt dan bij binnenkomst in de zonnecel verstrooid waarna het zich in het vlak van de zonnecel voortplant. Daardoor kan het licht niet uit de zonnecel ontsnappen. Ook een zeer dunne zonnecel kan zo toch het infrarode deel van het zonnespectrum efficiënt invangen. Het Amsterdams/Californische team laat nu voor het eerst zien dat het opvouwen van licht zeer efficiënt kan worden bereikt door het licht op een speciale manier te laten verstrooien aan zeer kleine metaalstructuren.

De onderzoekers bestudeerden twee ontwerpen van dit nieuwe type zonnecel. In één type worden zilveren bolletjes met een diameter van slechts honderd nanometer op het oppervlak van een zonnecel aangebracht. In een ander type wordt de zonnecel aan de onderzijde voorzien van een regelmatig patroon van lichtverstrooiers van zilver. In beide gevallen wordt het licht als het ware negentig graden gekanteld, waarna het zich in het vlak van de zonnecel net zo lang kan voortplanten totdat het wordt geabsorbeerd en in elektrische stroom omgezet. De zilveren nanostructuren zijn sterke lichtverstrooiers omdat het licht zogenaamde plasmonen aanslaat: resonante trillingen van de elektronen in het zilver.

Niet genoeg tellurium 

Albert Polman, de leider van het Amsterdamse team: "Deze nieuwe methode maakt het mogelijk zonnecellen te maken die maar een tienduizendste millimeter dik zijn en die toch al alle kleuren van de zon in stroom omzetten. En de techniek is toepasbaar op alle typen zonnecellen, of ze nu gemaakt zijn van silicium, polymeren of andere verbindingen. Het is zelfs zo dat het nu mogelijk wordt op grote schaal zonnecellen van cadmium/tellurium verbindingen te maken. De grootste producent van dunne zonnecellen ter wereld maakt zijn cellen van dit materiaal, met een dikte van twee micrometer. Maar helaas wordt er in de metaalmijnen wereldwijd niet genoeg tellurium gewonnen om deze technologie op zeer grote schaal toe te passen. Met onze technologie kunnen die cellen tien tot twintig keer dunner worden gemaakt en is toepassing op grote schaal wel mogelijk."

Het onderzoek is onderdeel van een initiatief van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) om het onderzoek naar duurzame energiebronnen aanzienlijk te versterken.

Referentie
Het artikel 'Plasmonics for improved photovoltaic devices' door Harry A. Atwater en Albert Polman,is verschenen in de online editie van Nature Materials. Een eerder artikel met technische details verscheen in Applied Physics Letters van 3 november 2009.