Japan doorbreekt efficiëntieplafond zonnecellen

Onderzoekers van Kyushu Universiteit hebben een route gevonden om een fundamentele beperking van zonnecellen te omzeilen. Met een combinatie van zogeheten singlet fission en een ‘spin-flip’-metaalcomplex behalen zij een quantumrendement van circa 130%. Daarmee ontstaat voor het eerst een experimenteel bewezen pad naar zonnecellen die het klassieke efficiëntieplafond kunnen doorbreken.

Het onderzoek is gepubliceerd in het Journal of the American Chemical Society

Conventionele zonnecellen, gebaseerd op silicium, lopen tegen de Shockley-Queisser-limiet aan. Die stelt dat maximaal ongeveer 33% van het invallende zonlicht kan worden omgezet in elektriciteit. De oorzaak ligt in fundamentele energieverliezen:

• Lage-energie (infrarood) fotonen leveren onvoldoende energie om elektronen vrij te maken
• Hoge-energie fotonen verliezen hun overschot als warmte

Per foton ontstaat daardoor in de praktijk maximaal één ladingsdrager (exciton).

Singlet fission: één foton wordt twee ladingsdragers

De Japanse onderzoekers benutten een mechanisme dat al langer bekend is, maar moeilijk praktisch toepasbaar bleek: singlet fission. Daarbij wordt de energie van één hoogenergetisch foton opgesplitst in twee lagere energie-excitonen. In theorie kan dit het rendement verdubbelen. In de praktijk ging die extra energie tot nu toe echter verloren door concurrerende processen, zoals Förster-resonantie-energieoverdracht (Fret).

Spin-flip-emitter voorkomt energieverlies

De doorbraak zit in de combinatie met een speciaal ontworpen molybdeen-gebaseerd metaalcomplex. Dit ‘spin-flip’-materiaal kan de extra energie uit singlet fission selectief opvangen. Bij dit proces verandert de spin van een elektron tijdens absorptie of emissie van licht, waardoor het systeem specifiek gekoppeld wordt aan de gevormde triplet-excitonen. Daardoor wordt energieverlies via Fret sterk gereduceerd. Het resultaat: per geabsorbeerd foton ontstaan gemiddeld 1,3 bruikbare energiedragers – een quantumrendement van 130%.

Wat betekent 130% efficiëntie?

De onderzoekers spreken nadrukkelijk over quantumrendement en niet over systeemefficiëntie. Het gaat dus om het aantal gegenereerde excitonen per foton, niet om de totale elektrische opbrengst van een zonnepaneel. Toch is dit fundamenteel belangrijk: het bewijst dat de klassieke limiet geen absolute natuurwet is, maar een beperking van conventionele celarchitecturen.

Van oplossing naar toepassing

De huidige demonstratie werkt nog in oplossing en is een proof-of-concept. Voor praktische toepassingen zijn meerdere stappen nodig:

• integratie in vaste materialen
• efficiënte excitontransport in vaste constructies
• opschaling naar stabiele fotovoltaïsche lagen

De onderzoekers zien toepassingen niet alleen in zonnecellen, maar ook in leds en quantumtechnologie.