FOM en UvA: 'Laag silicium nanokristallen en erbium-ionen verhoogt efficiënte zonnecellen'

Een laag van silicium nanokristallen en erbium-ionen kan zonnecellen helpen om meer energie uit het ultraviolette gedeelte van het zonlicht te halen. Dit publiceerden experimentele fysici van Stichting FOM, Technologiestichting STW en de Universiteit van Amsterdam  in Nature Communications. Bij de absorptie van UV-licht in conventionele zonnecellen, die gebaseerd zijn op silicium, gaat een groot deel van de geabsorbeerde energie verloren in de vorm van warmte. De onderzoekers laten zien dat deze overtollige energie gebruikt kan worden om meerdere erbium-ionen aan te slaan. Daarmee zouden ze licht kunnen produceren dat omgezet kan worden in elektriciteit.

Conventionele zonnecellen kunnen slechts een klein gedeelte van het zonlicht efficiënt omzetten in elektriciteit. Lichtdeeltjes (fotonen) met een lage energie kan de zonnecel niet absorberen, omdat hun energie te klein is om de bandkloof van het materiaal te overbruggen. Hoogenergetische fotonen kunnen wel worden geabsorbeerd, maar een groot gedeelte van hun energie gaat binnen enkele picoseconden  verloren in de vorm van warmte. Het maximale rendement is daarom maar dertig procent.

Saba Saeed en haar collega’s laten nu zien dat het rendement omhoog kan, door de energie van deze hoogenergetische fotonen beter te gebruiken. Daarvoor gebruiken ze een systeem van siliciumdioxide met silicium nanokristallen (deeltjes met een grootte van een miljardste meter) en erbium-ionen. Nog voordat de overtollige energie verloren gaat als warmte, kunnen de silicium nanokristallen de energie overdragen aan de erbium-ionen. Dit kan leiden tot de emissie van meerdere laagenergetische, infrarode fotonen per geabsorbeerd foton. Deze fotonen kunnen extra elektriciteit opleveren. In vergelijking met zonlicht-concentrators, die veelal gebruik maken van zeldzame aardmetalen zoals erbium, biedt dit perspectief voor een hogere efficiëntie.

De onderzoekers hebben het proces experimenteel, maar zonder zonnecel, aangetoond. In de toekomst zou een laag met silicium nanokristallen en erbium-ionen als 'spectral shaper' bovenop de zonnecel kunnen worden geplaatst om de efficiëntie te verhogen. De 'spectral shaper' zet de hoogenergetische UV-fotonen dan om in meerdere laagenergetische fotonen, die verder in een zonnecel elektriciteit opwekken. Het vervolgonderzoek zal gericht zijn op de optimalisatie van de conversielagen door het veranderen van de grootte en concentratie van de silicium nanokristallen, de concentratie en het type zeldzaam aardmetaal en de laagdikte. Ook zal onderzocht worden of een 'spectral shaper' in de antireflectielaag van de zonnecel geïntegreerd kan worden.