Nederlandse onderzoekers splitsen licht voor stabiele verbetering van zonnecellen

Aangezien zonnecellen gebaseerd op silicium hun rendementslimiet bijna hebben bereikt, zoeken wetenschappers wereldwijd naar alternatieve technologieën om het rendement van zonnecellen verder te verbeteren. Natuurkundigen van AMOLF en de Universiteit van Cambridge hebben met theoretische modellen een vergelijking gemaakt van 2 veelbelovende technologieën: foton-vermenigvuldiging via singlet-splijting en tandemzonnecellen.

Hoewel deze technologieën potentieel nagenoeg evenveel rendementsverbetering opleveren, blijkt singlet-splijting stabieler bij variaties in de weersomstandigheden. Daarnaast zijn voor singlet-splijting geen aanpassingen aan de siliciumtechnologie nodig, waardoor het zelfs kan worden gebruikt om bestaande zonnecellen te verbeteren. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen in ACS Energy Letters.

 De laatste 20 jaar is het rendement van de beste in het laboratorium gemaakte silicium zonnecellen niet meer dan 2 procent verbeterd en het zal erg moeilijk zijn om de technologie nog verder te optimaliseren. Op AMOLF bestudeert de Hybrid Solar Cells groep van Bruno Ehrler de eigenschapen van organische halfgeleiders met als doel de beperkingen van anorganische (silicium) zonnecellen te omzeilen. ‘Er zijn 2 veelbelovende strategieën die zonnecellen enorm kunnen verbeteren’, zegt promovendus Moritz Futscher. ‘De eerste, tandemzonnecellen gebaseerd op hybrides van perovskiet en silicium, krijgt veel aandacht en wordt uitgebreid bestudeerd door wetenschappers in de hele wereld. Wij doen ook onderzoek naar perovskiet, maar we zijn tevens een van de weinige groepen die singlet-splijting onderzoeken.’

 Singlet-splijting is een proces dat enkel plaatsvindt in organische halfgeleiders. Na absorptie van een foton met hoge energie, ontstaat een hoog-energetisch deeltje, een singlet exciton. Dit deeltje splitst zich in 2 triplet excitons, met ongeveer de helft van de energie per stuk. ‘Met dit principe kun je uit elk hoog-energetisch foton 2 fotonen met lagere energie creëren, die vervolgens worden uitgezonden naar een onderliggende zonnecel via quantumdots, piepkleine deeltjes gemaakt van halfgeleiders’,  legt Futscher uit. ‘Op deze manier werkt singlet-splijting als foton-vermenigvuldiger.’