Meer elektronen dan zonlicht – huidige wetenschap
Het nieuwe concept van zonnecellen zou de elektriciteitsproductie dramatisch kunnen verhogen met een zeer hoog rendement
Een diagram van de nieuwe zonnecel, waarbij per lichtdeeltje meer dan één elektron vrijkomt.
© ICOMA-laboratorium, Lehigh University
Dankzij verbeterde productiemethoden neemt de efficiëntie van zonnecellen voortdurend toe. De beste monokristallijne siliciumcellen zetten in het laboratorium al 26,1% van de energie in zonlicht om in elektrische stroom. Nieuwe concepten zoals tandemzonnecellen met een extra perovskietlaag maken al 32,9 procent mogelijk. Nu stellen twee Amerikaanse materiaalonderzoekers een geheel nieuwe aanpak voor. In modelberekeningen lieten ze zien dat ingebedde koperatomen een nieuwe sprong in efficiëntie mogelijk zouden kunnen maken. Volgens hun rapport in het tijdschrift Science Advances is de reden hiervoor het vrijkomen van meer dan één elektron voor elk individueel geabsorbeerd lichtdeeltje.
Om een nieuw type zonnecel te simuleren, heeft Srihari M. Castor en Chinedu E. Ikoma van de Lehigh Universiteit in Bethlehem doet onderzoek naar halfgeleidende materialen zoals germaniumselenide en tinsulfide. Bovendien plaatsten ze in deze lagen, die slechts enkele nanometers dik zijn, – grofweg op een computer – individuele koperatomen. Dankzij deze combinatie worden er meerdere energieniveaus gevormd waardoor elektronen van de onderste valentieband naar de bovenste geleidingsband kunnen springen. Vrij bewegende elektronen in de geleidingsband vormen de basis van de fotostroom die uit een zonnecel kan worden benut.
In een zonnecel produceert één foton in principe maximaal één elektron. Dit komt overeen met een maximaal conversiepercentage – externe kwantumefficiëntie genoemd – van 100 procent. De nieuwe lagenstructuur met ingebedde koperatomen resulteerde in veel hogere conversiepercentages van tussen de 110 en 190 procent in modelberekeningen. Dergelijke zonnecellen kunnen voor elk geabsorbeerd lichtdeeltje meer dan één elektron vrijgeven. Dit kwam door extra energieniveaus in de bandstructuur, waardoor elektronen uit de valentieband via een tussenfase de energieband konden bereiken. Deze verhoogde kwantumefficiëntie verhoogt de maximale theoretische waarde van efficiëntie – de Shockley-Quiser-limiet – van ongeveer 32% naar 63%. Bovendien kunnen deze nieuwe zonnecellen tot 80% van het invallende zonlicht absorberen, bij voorkeur gebruikmakend van het golflengtebereik van zichtbaar tot ver-infrarood licht.
Tastbare efficiëntieverbeteringen kunnen echter niet worden geïdentificeerd met alleen modelberekeningen. Om dit te doen moet het ontwerpvoorstel van Castor en Ikoma eerst in de praktijk worden gebracht om echte zonnecellen met daarin ingebedde koperatomen te karakteriseren. Volgens de onderzoekers zijn de nodige productietechnieken beschikbaar, vooral voor de productie van ultradunne laagjes germaniumselenide en tinsulfide en voor de opslag van koperatomen. “Ons model is een veelbelovende kandidaat voor de ontwikkeling van de volgende generatie zeer efficiënte zonnecellen”, is Ikoma ervan overtuigd.