Universiteit Groningen: ontdekking rond ‘hete elektronen’ verdubbelt efficiëntie van pervoskietzonnecellen

De efficiëntie van zonnepanelen heeft te lijden onder een ‘Goudhaartje probleem’: fotonen moeten een hoeveelheid energie hebben die precies goed is om te worden omgezet in vrije elektronen die voor elektrische spanning zorgen. Te weinig energie en de fotonen vliegen dwars door de zonnecel heen. Te veel en de extra energie verdwijnt als warmte.

Pakketjes lichtenergie, oftwel fotonen, waarvan de energie-inhoud groter is dan wat een halfgeleider kan absorberen produceren naemlijk zogeheten ‘hete elektronen’. Het teveel aan energie dat die bij zich dragen gaat snel verloren door omzetting in warmte – en dus niet in elektrische spanning. RUG hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica Maria Antonietta Loi heeft nu een materiaal ontdekt waarin deze hete elektronen hun energie langer vasthouden. Dat maakt het mogelijk om meer van die energie om te zetten in stroom in perovskietzonnecellen. 

Loi werkt aan een speciaal type zonnecellen, gemaakt van organisch/anorganisch hybride perovskiet. Nu bevatten de meeste zonnecellen op basis van perovskiet ook het giftig lood. De groep van Loi heeft onlangs een artikel gepubliceerd in Nature Communications waarin ze een efficiëntie van 9 procent beschrijven in een hybride perovskiet zonnecel met tin in plaats van lood, een record voor hybride perovskieten. ‘Toen we dit materiaal wat nauwkeuriger onderzochten zagen we iets vreemds’, vertelt zij. Wat Loi zag was alleen te verklaren wanneer de hete elektronen in dit tin-houdende hybride perovskiet de extra energie ongeveer duizend keer trager afgaven dan gebruikelijk.

‘De hete elektronen verloren de extra energie na enkele nanoseconden, in plaat van na een paar honderd femtoseconden. De ontdekking van zulke relatief lang levende hete elektronen is iets waar al mijn vakgenoten op hoopten’, zegt Loi. Die langere levensduur maakt het mogelijk om de extra energie te oogsten voordat deze is omgezet in warmte. ‘Dan zouden we met de hoogenergetische elektronen een hogere spanning kunnen produceren in de zonnecel.’ Berekeningen laten zien dat door het oogsten van hete elektronen de maximale efficiëntie van hybride perovskiet zonnecellen van 33 naar 66 procent gaat.

De volgende stap is uitzoeken waarom in een hybride perovskiet met in het verval van hete elektronen is vertraagd. Dan zou het mogelijk zijn gericht nieuwe perovskieten te ontwerpen die dat verval nog sterker vertragen. ‘Deze tin-houdende hybride perovskieten zijn mogelijk een doorbraak in dit veld en kunnen uiteindelijk een grote bijdrage gaan leveren aan de productie van duurzame energie.’