Nu zonnecellen op basis van siliciumtechnologie bijna hun efficiëntiegrenzen hebben bereikt, onderzoekers van over de hele wereld zoeken naar alternatieve technologieën om de efficiëntie van zonnecellen verder te verbeteren. Natuurkundigen van AMOLF en Cambridge University hebben modelleringstechnieken gebruikt om twee van dergelijke veelbelovende technologieën te vergelijken:singlet-splijting fotonmultipliers en tandemzonnecellen. Hoewel de potentiële efficiëntieverbetering bijna gelijk is, de singlet-splijtingsfotonvermenigvuldiger bleek stabieler te zijn onder wisselende weersomstandigheden. Ook, de singlet-splijtingsfotonvermenigvuldiger vereist geen aanpassingen aan de siliciumtechnologie, wat betekent dat het zelfs kan worden gebruikt om bestaande zonnecellen te verbeteren. De onderzoekers hebben hun bevindingen gepubliceerd in ACS Energiebrieven .

In de afgelopen 20 jaar, de efficiëntie van record silicium zonnecellen geproduceerd in het lab steeg met slechts 2 procent, en het zal de komende jaren erg moeilijk zijn om verdere verbeteringen aan te brengen. De belangrijkste reden is dat conventionele zonnecellen een groot deel van het binnenkomende zonlicht verspillen. Siliciumtechnologie kan simpelweg niet al het zonlicht omzetten in elektrische energie omdat silicium slechts een deel van het zonnespectrum absorbeert. Ook, hoogenergetische fotonen uit het blauwe deel van het spectrum worden niet efficiënt omgezet, en ze genereren ongewenste warmte in de zonnecel.

Bij onderzoeksinstituut AMOLF, de groep Hybrid Solar Cells onder leiding van Bruno Ehrler bestudeert de eigenschappen van organische halfgeleiders om de beperkingen van anorganische (silicium) zonnecellen te overwinnen. "Er zijn twee veelbelovende strategieën die zonnecellen enorm zouden verbeteren, " zegt promovendus Moritz Futscher. "De eerste, tandem zonneceltechnologie gebaseerd op een combinatie van hybride perovskietmaterialen en silicium, krijgt veel aandacht en wordt uitgebreid bestudeerd door onderzoekers van over de hele wereld. We bestuderen ook perovskieten, maar we zijn ook een van de weinige onderzoeksgroepen die de tweede technologie bestuderen, dat gebruik maakt van een proces dat singlet-splijting wordt genoemd."

Singlet-splijting is een proces dat alleen voorkomt in organische halfgeleiders. Wanneer een hoogenergetisch foton wordt geabsorbeerd, een hoogenergetisch deeltje genaamd een singlet-exciton wordt gegenereerd. Dit singlet-exciton wordt omgezet in twee triplet-excitonen die elk ongeveer de helft van de energie van het singlet-exciton hebben. “Met deze aanpak we creëren twee laag-energetische fotonen uit één hoog-energetisch foton. Deze fotonen worden vervolgens via quantum dots naar de onderliggende zonnecel gestuurd, kleine deeltjes gemaakt van halfgeleiders, " legt Futscher uit. "Op deze manier, singlet-splijting dient als een fotonvermenigvuldiger."

Futscher en zijn collega's vergeleken theoretisch singlet-splijtingsfotonenvermenigvuldigers met tandemzonnecellen die een combinatie van perovskieten en silicium gebruiken onder reële weersomstandigheden. "We weten dat tandemzonnecellen heel goed werken in zonnige gebieden, maar presteren ondermaats in regio's met wisselende weersomstandigheden. Dus we hebben rekening gehouden met het weer en het zonnespectrum, ", zegt Futscher. "We ontdekten dat de combinatie van een singlet-splijtingsfotonvermenigvuldiger en siliciumzonnecellen net zo goed werkt als de combinatie perovskieten met silicium (tandem). Echter, onder wisselende weersomstandigheden in Nederland, de singlet-splijtingsfotonvermenigvuldiger bewijst dat het een stabielere keuze is."

Het feit dat op singlet-splijting gebaseerde zonnecellen mogelijk net zo goed werken als tandem-zonnecellen - en nog beter, onder bepaalde omstandigheden - maakt het een zeer interessant alternatief. "Deze fotonenvermenigvuldigers zijn eenvoudig te maken. Het is in feite een dunne plastic folie die bovenop een bestaande zonnecel kan worden geplaatst. De zonneceltechnologie zelf hoeft niet te worden veranderd, ", zegt Futscher. "Hoewel de technologie het beste werkt met de nieuwste state-of-the-art zonnecellen, zo'n singlet-splijtingsfolie zou zelfs de prestaties van de in gebruik zijnde siliciumzonnecellen verbeteren, zeker onder de wisselende weersomstandigheden waarmee we in Nederland te maken hebben."