Zonnecellen van nanodraadjes benutten het hele zonnespectrum

Door Jacqueline van Gool

Huidige zonnepanelen presteren eigenlijk erg goed. De huidige omzet-efficiëntie naar elektrische energie loopt op tot ongeveer dertig procent. Met de huidige materialen, gebruik makend van traditionele siliciumtechnologie, is dat dichtbij de theoretische maximale efficiëntie die kan worden bereikt. Maar de zon heeft meer te bieden. Om zo veel mogelijk gebruik te maken van de beschikbare zonne-energie en een hogere conversie-efficiëntie te bereiken, zullen andere systemen moeten worden ontwikkeld en andere materialen worden toegepast. Er zijn veel verschillende mogelijkheden om de conversie-efficiëntie in zonne-energiesystemen te verbeteren. Je zou kunnen proberen het actieve oppervlak per volume-eenheid te vergroten. Je zou kunnen proberen om alle golflengten van het zonlichtspectrum te gebruiken, in plaats van slechts een deel hiervan, zoals in traditionele PV-systemen gebeurt. Je zou kunnen proberen om het lichtmanagement te verbeteren en om het licht te concentreren. Of je zou kunnen proberen om alle deze drie aspecten in één concept te combineren. Eén van de oplossingen die volgens onderzoekers erg veelbelovend is, is het gebruik van halfgeleidende nanodraadjes in zonnecelsystemen.

Mode

Esther Alarcon Llado leidt de 3D Photovoltaics groep van het Amsterdamse onderzoekscentrum AMOLF, één van de instituten die wereldwijd voorop lopen in de ontwikkeling van nanodraadjes in zonne-energiesystemen. Nanodraadjes zijn niet nieuw, vertelt Alarcon Llado: ‘Met technologie is het soms net als met kleding, na tientallen jaren komt het terug in de mode. Dit is ook zo in het geval van nanodraadjes. Ze werden eind jaren vijftig en in de jaren zestig ontwikkeld om materialen te maken voor kwantumopsluiting die opgebouwd waren uit zeer kleine deeltjes, maar een groot specifiek oppervlak hadden. Ze hadden daarbij specifiek goede optische en elektrische eigenschappen.’ Na een pauze kreeg onderzoek naar deze materialen een nieuwe impuls in de jaren negentig. Na een doorbraak in de productie van nanodraadjes rond het jaar 2000, was er interesse voor deze materialen vanuit veel verschillende toepassingen.

Gewichtsreductie

Nanodraadjes kunnen van veel verschillende materialen worden gemaakt, zowel organisch als anorganisch, metalen of oxiden. Initieel werden nanodraadjes voornamelijk toegepast in sensortechnologie. Het hoge specifieke oppervlak geeft de materialen een potentieel hoge gevoeligheid, bijvoorbeeld in het geval van chemische detectie, terwijl een sensor slechts weinig volume nodig heeft. De groep van Alarcon Llado gebruikt voor de toepassing in fotovoltaïsche systemen met name gallium arsenide (GaAs) halfgeleidende nanodraadjes. ‘Dit materiaal heeft goede optische en elektrische eigenschappen.’

Deze nanodraadjes hebben een diameter van enkele tientallen tot honderd nanometer en kunnen georganiseerd worden in grote arrays of zogeheten ‘forests’. Het is mogelijk goedkope substraten zoals silicium te gebruiken als basis voor de arrays van nanodraadjes.

Het grootste voordeel van het gebruik van nanodraadjes in fotovoltaïsche systemen is dat de conversie-efficiëntie drastisch groeit, omdat het actieve volume groter is vergeleken met de traditionele bulk-systemen. "We hebben ontdekt dat de lichtabsorptie capaciteit tot 200 keer beter is dan wanneer traditionele zonnepanelen worden gebruikt. Het is mogelijk om dezelfde lichtabsorptie te verkrijgen, terwijl je slechts een paar procent van het materiaal nodig hebt, dat je voor hetzelfde resultaat in een zonnepaneel nodig hebt. Dit betekent een gewichtsreductie van tot wel 95%."

Microscoopbeeld van lichtconcentratie, funneling. (beeld: Amolf) 

Mooier

Onderzoek heeft aangetoond dat nanodraadjes licht kunnen concentreren. Deze eigenschap, funneling geheten, betekent dat inkomende zonnestraling met een lage dichtheid wordt geconcentreerd, zodat een groter deel van de zonne-energie kan worden geabsorbeerd (zie figuur1). Theoretisch zou het mogelijk zijn het gehele zonnespectrum met hoge efficiëntie in elektriciteit om te zetten. ‘We hebben de optische eigenschappen van de systemen verbeterd, door de vorm van de nanodraadjes te veranderen. De efficiency hangt af van de diameter en de lengte van de nanodraadjes en de afstand tussen de verschillende draadjes. Als de afstand tussen de nanodraadjes ongeveer overeenkomt met de absorptiediameter èn ze verschillende lengten hebben, zou zonlicht met alle golflengten kunnen worden geabsorbeerd.’ (zie figuur2) Dit zou niet alleen de efficiëntie verbeteren. Het zou ook een weg openen naar mooiere, kleurrijkere fotovoltaïsche systemen. ‘Normale PV-systemen zijn zwart, met deze technologie kunnen we ze allerlei kleuren geven.’ Er wordt nu ook gewerkt aan het dunner maken van de Si-substraatlaag tot op micron-schaal. Dat zou ervoor zorgen dat het materiaal gemakkelijk te integreren is in verschillende oppervlakten, bijvoorbeeld als ze gebogen zijn.

Simulatie

Theoretische optima worden gevonden met behulp van computersimulaties. Om de interactie van nanodraadjes met licht te karakteriseren, om de afmetingen van de draadjes te optimaliseren en uiteindelijk om zonnecellen gebaseerd op nanodraadjes te ontwerpen, zijn computersimulaties onontbeerlijk. Om de prestaties van nanodraadjes te vergelijken met GaAs film, gebruikt Alarcon LLado FDTD (finite difference time domain – eindige-differenties-in-het-tijdsdomein methode) elektromagnetische simulatie met behulp van het MEEP (MIT Electromagnetic Equation Propagation) software pakket. Met hulp van Confocale Laser Scanning Microscopie kan de echte situatie worden vergeleken met de beelden uit de computersimulaties. Deze duale benadering, waarbij theoretische simulaties en experimentele technieken worden gecombineerd, helpt de onderzoekers de potentie van nanostructuren in zonne-energieconversie fundamenteel te begrijpen.

Ander onderzoek richt zich op dit moment op het verbeteren van de elektrische eigenschappen van het materiaal. Optische prestaties, die worden uitgedrukt in de capaciteit om licht te absorberen, zijn al op hoog niveau; maar de elektrische prestaties van nanodraadjes, die worden beschreven door de mobiliteit van de lading, blijven nog achter. "We proberen daarom de nanodraadjes te coaten met verschillende verbindingen en testen dan de prestaties."

3D-printen

Er wordt nu ook gezocht naar een goedkope manier om deze materialen te maken, zodat marktintroductie van zonnecelsystemen op basis van nanodraadjes versneld kan plaatsvinden. Het zou een grote stap zijn om een soort 3D print te maken op nanoschaal. De groep van Alarcon Llado gebruikt scanning probe microscopie om de halfgeleiders op elektrochemische wijze in vloeibare omgevingen te plaatsen. Het uiteinde van de microscoop wordt gebruikt als elektrochemische pen om nanodraadjes in 3D te laten groeien. (zie figuur hieronder)

Het uiteinde van een scanning probe microscoop wordt gebruikt als elektrochemische pen om nanodraadjes in 3D te laten groeien. (beeld: Amolf) 

Commercieel

Op dit moment zijn er al enkele fotovoltaïsche systemen gebaseerd op nanodraadjes commercieel beschikbaar, maar het is voorlopig nog een niche. Het Zweedse bedrijf SOL Voltaics ontwikkelde een technologie om miljarden hoog-efficiënte PV nanodraadjes te produceren, die kunnen worden geïntegreerd in een zonnecelfilm.

Alarcon Llado denkt dat hoog-efficiënte fotovoltaïsche systemen van nanodraadjes in de toekomst ook in kleine consumentenelektronica zoals televisies of andere schermen kunnen worden geïntegreerd. Ook toepassingen in gebouwen zouden interessant zijn, "nu is het niet economisch aantrekkelijk om zonnepanelen te vervangen, maar denk aan flexibele zonnecellen, die op speciaal gevormde oppervlaktes kunnen worden geplaatst, bijvoorbeeld bolle ramen."