Opgewonden staat! - Een doorbraak in zonneceltechnologie

Zonnecellen hadden in het verleden een limiet op hun efficiëntie. In een conventionele op silicium gebaseerde zonnecel zou elk lichtfoton dat het oppervlak van de cel zou raken, één elektron vrijgeven. Fotonen met meer energie zouden geen verschil maken omdat ze geen extra elektronen zouden kunnen aantrekken. Onderzoekers hebben nu een nieuwe methode bedacht om hoogenergetische lichtfotonen te verkrijgen om twee elektronen vrij te geven in plaats van één, wat mogelijkheden opent voor een nieuw type zonnecel met een grotere efficiëntie.

Het hoogst mogelijke theoretische rendement van conventionele zonnecellen is 29,1%. Onderzoekers van onder meer het MIT hebben de afgelopen jaren een nieuwe methode ontwikkeld om de efficiëntie van de cellen te verhogen.

Vroege demonstraties

Het principe van deze technologie is bekend en de demonstratie ervan is al uitgevoerd. Het duurde echter jaren voordat deze technologie operationeel werd. Eerdere studies toonden het vrijkomen van twee elektronen van één lichtfoton aan voor organische fotovoltaïsche cellen. Silicium zonnecellen zijn echter efficiënter dan organische zonnecellen. Toen testen werden uitgevoerd op een zonnecel waarvan de toplaag uit tetraceen bestond, was de overdracht van twee elektronen niet eenvoudig. Hoewel deze technologie vier decennia geleden werd geconceptualiseerd, wordt de bruikbaarheid ervan nu realiteit.

Excitatieproces

De technologie omvat het gebruik van excitonen, een groep materialen die aangeslagen toestanden bevatten. Ze maken de energieverdeling van één foton in twee elektronen mogelijk. Excitonen zijn energiepakketten zoals elektronen die zich in een circuit voortplanten. Ze hebben echter andere eigenschappen in vergelijking met elektronen. In dit proces wordt singlet-excitonsplijting uitgevoerd, waarbij lichtenergie wordt gesplitst in twee onafhankelijke mobiele energiepakketten. Siliciumzonnecel absorbeert een foton en vormt een exciton, dat een splijtingsreactie ondergaat om twee aangeslagen toestanden te vormen, waarbij elk energiepakket de helft van de energie van de oorspronkelijke toestand bezit.

Uitdagingen oplossen

Het koppelen van de energie verkregen uit foton in silicium was moeilijk omdat het een niet-excitonisch materiaal is. Het onderzoeksteam probeerde de energie van de excitonische laag te koppelen aan kleine halfgeleiderdeeltjes die bekend staan ​​als kwantumstippen. Dit was het moment waarop de doorbraak plaatsvond in zonneceltechnologie, waar ze zowel anorganisch als excitonisch waren. Dit leidde tot de ontwikkeling van een efficiëntere siliciumzonnecel.

Rol van oppervlaktechemie

De energieoverdrachten zijn niet mogelijk vanwege het grootste deel van het materiaal, maar vanwege het oppervlak van het materiaal. Het onderzoeksteam kon de gewenste resultaten behalen dankzij hun focus op de oppervlaktechemie van silicium. Dit hielp bij het bepalen van de oppervlaktetoestanden die daar aanwezig waren. De oplossing ligt in een dunne tussenlaag, die zich op het grensvlak tussen de tetraceenlaag en de siliciumcellaag bevindt. Het gebruikte tussenmateriaal is hafniumoxynitride, dat enkele atomen dik is en als brug voor de excitonen fungeert. Deze nieuwe technologie duwde de maximale theoretische efficiëntie van 29,1% naar 35%.

Reikwijdte

Hoewel een efficiënte koppeling van de twee materialen is bereikt, is voor dit proces verdere optimalisatie van siliciumcellen vereist. De cellen moeten dunner worden gemaakt dan de huidige versies. Ook aan stabilisatie van materialen voor duurzaamheid moet worden gewerkt. Het zou enkele jaren duren voordat het product in de handel verkrijgbaar zou zijn. Andere methoden om de efficiëntie te verbeteren, omvatten de toevoeging van andere soorten cellen, zoals een perovskietlaag over silicium.