Geëxciteerde Toestand: Een Nieuw Tijdperk van Hoog-Efficiënte Zonnecellen

Zonnecellen in het verleden hadden een limiet aan hun efficiëntie. In een conventionele op silicium gebaseerde zonnecel, zou elk lichtfoton dat het oppervlak van de cel zou raken, één elektron vrijmaken. Fotonen met meer energie zouden geen verschil maken omdat ze geen additionele elektronen konden trekken. Onderzoekers hebben nu een nieuwe methode bedacht om hoge-energielichtfotonen twee elektronen in plaats van één vrij te laten maken, wat de weg opent voor een nieuw type zonnecel met hogere efficiëntie.

De hoogst mogelijke theoretische efficiëntie bereikt door conventionele zonnecellen is 29,1%. De afgelopen jaren hebben onderzoekers van MIT en andere plekken een nieuwe methode ontwikkeld om de efficiëntie van de cellen te verhogen.

Vroege Demonstraties

Het principe van deze technologie is bekend alsook de demonstratie ervan is al uitgevoerd. Echter, het duurde jaren voordat deze technologie operationeel werd. Eerdere studies lieten de vrijmaking van twee elektronen van één lichtfoton zien voor organische fotovoltaïsche cellen. Echter, siliciumzonnecellen zijn efficiënter dan organische zonnecellen. Toen testen uitgevoerd werden op een zonnecel met de toplaag samengesteld uit tetraceen, was de overdracht van twee elektronen niet voor de hand liggend. Hoewel deze technologie 4 decennia geconceptualiseerd was, wordt de praktijk nu realiteit.

Excitatieproces

De technologie omvat het gebruik van excitonen, die een groep materialen zijn die geëxciteerde toestanden bevatten. Ze maken de energiedeling van één foton in twee elektronen mogelijk. Excitonen zijn energiepakketten zoals elektronen die in een circuit voortplanten. Echter, ze hebben andere eigenschappen vergeleken met elektronen. In dit proces wordt singulette exciton fissie uitgevoerd, waar lichtenergie gesplitst wordt in twee onafhankelijke mobiele energiepakketten. Siliciumzonnecel absorbeert een foton en vormt een exciton, wat een fissiereactie ondergaat om twee geëxciteerde toestanden te vormen, waar elk energiepakket de helft van de energie van de initiële toestand bezit.

Uitdagingen Oplossen

Het koppelen van de energie verkregen van foton in silicium was moeilijk omdat het een non-excitonisch materiaal is. Het onderzochteam probeerde de energie van de excitonische laag te koppelen in kleine halfgeleiderdeeltjes bekend als kwantumpuntjes. Dit was wanneer de doorbraak gebeurde in zonneceltechnologie, waar ze zowel anorganisch als excitonisch waren. Dit leidde tot de ontwikkeling van een efficiëntere siliciumzonnecel.

Rol van Oppervlaktechemie

De energieoverdrachten zijn mogelijk niet door de bulk van het materiaal maar door het oppervlak van het materiaal. Het onderzochteam kon de gewenste resultaten behalen door hun focus op de oppervlaktechemie van silicium. Dit hielp bij de bepaling van de oppervlaktetoestanden die er aanwezig waren. De oplossing ligt in een dunne intermediaire laag, die op de interface tussen de tetraceenlaag en de siliciumcellulaag ligt. Het intermediaire materiaal dat gebruikt wordt is hafniumoxynitride, dat een paar atomen dik is en fungeert als brug voor de excitonen. Deze nieuwe technologie duwde de maximale theoretische efficiëntie van 29,1% naar 35%.

Bereik

Hoewel efficiënte koppeling van de twee materialen bereikt is, is verdere optimalisatie van siliciumcellen vereist voor dit proces. Er is behoefte aan de cellen om dunner te maken dan de huidige versies. Stabilisatie van materialen voor duurzaamheid moet ook gewerkt worden. Het zou enkele jaren duren voordat het product commercieel beschikbaar is. Andere methoden om efficiëntie te verbeteren omvatten toevoeging van andere typen cellen zoals perovskietlaag boven silicium.