Meer energie uit zonlicht door kwantumproces in nanocellen

Het rendement van zonnecellen kan enorm verhoogd worden door energieverliezen te reduceren. Voordat het invallende zonlicht elektriciteit heeft weten op te wekken gaat een groot deel van de energie van het licht verloren aan opwarming van de zonnecel. Onderzoekers van Technologiestichting STW, NanoNextNL, de Universiteit van Amsterdam en de Technische Universiteit Delft hebben nu experimenteel inzicht gekregen in een quantumproces in nanokristallen van silicium dat overtollige energie van licht overdraagt aan naburige nanokristallen, zodat energieverlies in de vorm van warmte wordt vermeden.

Dit mechanisme is pas recent voorgesteld. De metingen van de onderzoekers laten zien dat het zich werkelijk gedraagt zoals theoretisch geopperd. Dat opent de weg naar zonnecellen met een aanzienlijk hoger rendement dan de 25% die nu in de praktijk wordt gehaald.

 

Een zonnecel bestaat uit een halfgeleidermateriaal. Dat materiaal absorbeert lichtdeeltjes (fotonen) doordat elektronen in de valentieband de energie van fotonen opnemen en hierdoor in de geleidingsband terechtkomen. Daarbij laten ze een gat in de valentieband achter. In de geleidingsband hebben de elektronen veel bewegingsvrijheid. Daardoor kun je de elektron-gat-paren uit het materiaal te trekken, en zo wek je elektrische stroom op. Alle energie die groter is dan de zogeheten bandkloof (de afstand, in energie, tussen de valentieband en geleidingsband) gaat binnen enkele femtoseconden (miljoensten van een miljardste seconde) verloren aan roostertrillingen in het materiaal, waardoor de zonnecel warm wordt. Voor silicium, de meest gebruikte halfgeleider in zonnecellen, betekent dit dat er maximaal maar zo'n 30 procent van de energie in het zonnespectrum omgezet kan worden in elektriciteit. In de praktijk zijn echter slechts rendementen tot 25 procent behaald. De rest van de invallende energie gaat verloren.

 

Energieopbrengst verhogen

Hier valt iets tegen te doen met silicium-nanokristallen in het materiaal. Door hun dimensies van maar enkele nanometers gaan kwantumeffecten een rol spelen: er ontstaat een proces dat veel meer ladingen produceert dan door enkel het absorberen van fotonen het geval is. Dit proces wordt in jargon Space-Separated Carrier Multiplication (SSCM) genoemd. Het zorgt ervoor dat de energie uit het licht die groter is dan die eerder genoemde bandkloof razendsnel verspreid wordt naar andere elektron-gat-paren in naburige nanokristallen vóórdat opwarming plaatsvindt. Zo zorgt één hoog-energetisch foton voor verscheidene enkelvoudige elektron-gat-paren in naburige nanokristallen. In een ideaal scenario kan dit proces de efficiëntie van siliciumzonnecellen verhogen richting de 50 procent. Aangezien het gevecht van efficiëntieverbetering tegenwoordig plaatsvindt over fracties van procenten is dit een aanzienlijke verbetering.

 

Opzienbarend inzicht

Het SSCM-proces was al wel bekend maar tot voor kort alleen langs indirecte weg aangetoond, namelijk door te meten hoeveel fotonen de nanokristallen in het materiaal uitzenden. Dat is een maat voor de energie die eerder was geabsorbeerd. De onderzoekers hebben het proces nu direct waargenomen. Daarvoor bestralen ze een sample met nanokristallen met femtoseconde-laserpulsen en kijken met dezelfde laser direct wat het gevolg is. Omdat die pulsen korter zijn dan de tijdsduur waarin de opwarming zich voltrekt kunnen de onderzoekers met hun ‘pump-and-probe'-opstelling "meekijken" in het absorptieproces en daarmee het moment zien waarop nieuwe energiedragers ontstaan. Dit leverde een opzienbarend inzicht op: SSCM blijkt plaats te vinden in directe vorm. Dat wil zeggen dat de absorptie van een hoog-energetisch foton direct gevolgd wordt door de splitsing in energie en ruimte, leidend tot de vorming van verscheidene enkelvoudige elektron-gat-paren in naburige nanokristallen. Dit proces is extra aantrekkelijk omdat het de levensduur van binnenkomende energie uit fotonen veel langer maakt dan het aanvankelijke absorptieproces. Er is dus veel meer gelegenheid voor energieomzetting.

 

Naar aanzienlijk hoger rendement

Nanokristallen van silicium in zonnecelmateriaal nemen fotonen op en zenden die voor een deel op een andere golflengte weer uit. Dit spectrumvervormende effect van de nanokristallen wordt al uitvoerig onderzocht om op indirecte manier het rendement van zonnecellen te verhogen. Het nieuwe inzicht in het SSCM-proces maakt duidelijk dat de nanokristallen ook direct kunnen bijdragen aan het efficiënter omzetten van het zonlicht. Daarmee is dit nieuwe inzicht een essentiële voortzetting van de al eerder vergaarde kennis en lijkt de weg vrij te maken voor zonnecellen, opgebouwd met silicium-nanokristallen, die een substantieel hoger rendement dan bestaande cellen kan bereiken.

 

"Direct generation of multiple excitons in adjacent silicon nanocrystals revealed by induced absorption", Tuan Trinh, Rens Limpens, Wieteke de Boer, Juleon Schins, Laurens Siebbeles en Tom Gregorkiewicz, AOP, Nature Photonics, 18 maart 2012, http://dx.doi.org/ DOI 10.1038/NPHOTON.2012.36

 

Trinh, Limpens, De Boer en Gregorkiewicz werken in het Van der Waals-Zeeman Institute van de Universiteit van Amsterdam. Schins en Siebbeles zijn verbonden aan de sectie Optoelektronische Materialen van de Afdeling Chemical Engineering van de Technische Universiteit Delft. Trinh en De Boer werken op een STW-project voor dit onderzoek samen met Limpens (NanoNextNL).