Voor de beste ervaring schakelt u JavaScript in en gebruikt u een moderne browser!
Switch to English

UvA-onderzoekers hebben een eerste stap gezet in een rendementsverhoging van zonnecellen door het verminderen van energieverliezen. Ze verkregen experimenteel inzicht in een kwantumproces in nanokristallen van silicium. De bevindingen zijn gepubliceerd in een Advance Online Publication van Nature Photonics.

UvA-onderzoekers hebben een eerste stap gezet in een rendementsverhoging van zonnecellen door het verminderen van energieverliezen. Prof. dr. Tom Gregorkiewicz van het Institute of Physics van de UvA verkreeg met zijn onderzoeksgroep experimenteel inzicht in een kwantumproces in nanokristallen van silicium dat overtollige energie van licht overdraagt aan naburige nanokristallen. Daardoor wordt energieverlies in de vorm van warmte vermeden.

De bevindingen van het team - met onderzoekers van behalve de UvA ook de TUDelft en gefinancierd door Technologiestichting STW en NanoNextNL - zijn onlangs gepubliceerdin een Advance Online Publication van Nature Photonics.

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.

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.

Silicium-nanokristallen

Voor silicium, de meest gebruikte halfgeleider in zonnecellen, kan maar zo’n 30 procent van de energie in het zonnespectrum omgezet worden in elektriciteit. In de praktijk zijn echter slechts rendementen tot 25 procent behaald. De rest van de invallende energie gaat verloren.

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 Space-Separated Carrier Multiplication (SSCM) genoemd.

SSCM zorgt ervoor dat de energie uit het licht die groter is dan de zogeheten 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.

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.

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.

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 kunnen bereiken.

Publicatiegegevens

M. Tuan Trinh, Rens Limpens, Wieteke D. A. M. de Boer, Juleon M. Schins, Laurens D. A. Siebbeles & Tom Gregorkiewicz. Direct generation of multiple excitons in adjacent silicon nanocrystals revealed by induced absorption. Nature Photonics (online gepubliceerd 18 maart 2012).