Nieuw nanomateriaal verhoogt rendement zonnecellen

Onderzoekers van Stichting FOM, de TU Delft, Toyota Motor Europe en de universiteit van Californië hebben een nanostructuur ontwikkeld waarmee ze zonnecellen zeer efficiënt kunnen maken. De onderzoekers publiceren hun bevindingen vandaag in de online editie van Nature Communications. Slimme nanostructuren kunnen het rendement van een zonnecel verhogen. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder natuurkundigen van Stichting FOM, de TU Delft en Toyota, heeft de nanostructuur nu zo geoptimaliseerd dat de zonnecel meer stroom levert en minder energie verliest in de vorm van warmte.

Een conventionele zonnecel bevat een laag silicium. Wanneer zonlicht op deze laag valt, absorberen elektronen in het silicium de energie van de lichtdeeltjes (fotonen). Met deze energie springen de elektronen over een 'energiekloof', waardoor ze vrij kunnen bewegen: er gaat een stroom lopen. Indien de energie van het foton gelijk is aan de energiekloof van het silicium is het rendement optimaal. Zonlicht bevat echter veel fotonen met energieën die groter zijn dan de energiekloof. Het energieoverschot gaat verloren als warmte, wat het rendement van een conventionele zonnecel beperkt.

Enkele jaren geleden toonden onder andere de onderzoekers van de TU Delft aan dat het energieoverschot toch nuttig gebruikt kan worden. In kleine bolletjes van een halfgeleidermateriaal laat het energieoverschot extra elektronen over de energiekloof springen. Deze nanobolletjes, de zogeheten quantum dots, hebben een diameter van slechts een tienduizendste van een mensenhaar. Als een lichtdeeltje een elektron in een quantum dot over de energiekloof brengt, beweegt het elektron rond in de dot. Dat zorgt ervoor dat het elektron botst met andere elektronen, die vervolgens ook over de energiekloof springen. Op deze manier kan een enkel foton meerdere elektronen in beweging brengen, waardoor de stroom toeneemt.

Het probleem was echter dat de elektronen in hun quantum dots gevangen blijven, en dus niet bijdragen aan de stroom in de zonnecel. Dat probleem is te wijten aan de grote moleculen die het oppervlak van quantum dots stabiliseren. Deze grote moleculen verhinderen dat elektronen overspringen van een quantum dot naar de volgende, waardoor er geen stroom loopt. In hun nieuwe ontwerp vervingen de onderzoekers de grote moleculen door kleine moleculen, en vulden ze de lege ruimte tussen de quantum dots met aluminiumoxide. Daardoor ontstond veel meer contact tussen de quantum dots, en konden de elektronen wel vrij bewegen.

Met laserspectroscopie zagen de natuurkundigen dat één foton inderdaad meerdere elektronen vrijmaakte in materialen met gekoppelde quantum dots. Alle elektronen die de energiekloof overbrugden, bewogen vrij rond in het materiaal. Het theoretisch rendement van zonnecellen met zulke materialen stijgt daardoor naar 45%, ruim 10% hoger dan een conventionele zonnecel. De efficiënte zonnecelsoort is gemakkelijk te produceren: de structuur van gekoppelde nanobollen kan als een soort verf in lagen op de zonnecel worden aangebracht. Daardoor zullen de nieuwe zonnecellen niet alleen efficiënter zijn, maar zijn ze ook goedkoop. De Nederlandse onderzoekers willen nu met internationale partners aan de slag om complete zonnecellen met dit ontwerp te ontwikkelen.