Groningse onderzoekers bedenken slimme truc om efficiëntie zonnepanelen te verbeteren

Zonnepanelen moeten precies de juiste hoeveelheid lichtenergie opvangen om energie om te kunnen zetten in stroom. Als de energiepakketjes van het licht, de fotonen, te weinig energie hebben, gaan ze dwars door de zonnepanelen heen. Als ze te veel energie hebben, ontstaan ‘hete elektronen’ met extra veel energie, maar daarvan gaat een flink deel verloren als warmte. Er zijn verschillende trucs bedacht om de energie van hete elektronen toch helemaal op te vangen. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen (RUG) hebben nu samen met collega’s van de Nanyang Technological University uit Singapore ontdekt dat dit ook lukt door eenvoudigweg 2 materialen te combineren. De extra energie wordt dan omgezet in stroom, niet in warmte. Op die manier is het in de toekomst wellicht mogelijk de efficiëntie van zonnepanelen verder te verbeteren.

Nanodeeltjes
‘De extra energie in hete elektronen, die ontstaan door het opvangen van fotonen met veel energie, verdwijnt snel als warmte in het materiaal’, legt Maxim Pshenichnikov uit. Hij is hoogleraar ultrasnelle spectroscopie aan de RUG. Om alle energie van hete elektronen op te vangen, is materiaal nodig met een grotere bandkloof. Maar daarvoor moeten de hete elektronen naar dit materiaal toe worden geleid voordat ze de energie hebben afgegeven als warmte. Onderzoekers die met dit probleem bezig zijn, proberen dan ook het verlies van energie te vertragen, bijvoorbeeld door het materiaal in nanodeeltjes op te splitsen. ‘In nanodeeltjes zijn er voor de elektronen minder mogelijkheden om de energie als warmte af te geven’, legt Pshenichnikov uit.

Samen met collega’s van de Nanyang Technological University, waar hij de afgelopen 3 jaar als ‘visiting professor’ een aantal keren verbleef, bestudeerde Pshenichnikov een systeem waarin een zogeheten perovskiethalfgeleider is gecombineerd met de organische stof bathophenanthroline (bphen), een materiaal met een grote bandkloof. De onderzoekers gebruikten laserlicht om elektronen uit het perovskiet een energiestoot te geven, waarna ze het gedrag van deze hete elektronen konden bestuderen.

Femtoseconden
‘We gebruikten een methode om de elektronen in 2 stappen meer energie te geven, waarbij we ze op een schaal van femtoseconden konden volgen’, vertelt Pshenichnikov. Op deze manier konden ze elektronen uit het perovskiet een hoeveelheid energie geven die net boven de bandkloof van bphen lag, zonder dat ze elektronen in het bphen zelf aansloegen. Op die manier kwamen alle hete elektronen in dit materiaal uit het perovskiet.

De experimenten lieten zien dat hete elektronen uit perovskiet snel en gemakkelijk door bphen werden geabsorbeerd. ‘Dat gebeurde zonder dat we de elektronen vertraagden, en in gewoon materiaal. Dus zonder extra trucjes konden we hete elektronen opvangen.’ De onderzoekers merkten wel dat de energie van de elektronen net iets groter moest zijn dan de bandkloof. ’Dat hadden we niet verwacht. Blijkbaar is er extra energie nodig om een barrière op de grens tussen beide materialen te doorbreken.’

Zonnecel bouwen
Op deze manier hebben de onderzoekers laten zien dat het mogelijk is om hete elektronen uit perovskieten op te vangen. Pshenichnikov: ‘De experimenten zijn uitgevoerd met een realistische hoeveelheid energie, vergelijkbaar met zichtbaar licht. De volgende uitdaging is om een echte zonnecel te bouwen waarin we beide materialen combineren.’