De rijen blauwe zonnepanelen die landschappen en daken bedekken, zijn meestal gemaakt van kristallijn silicium, de werkpaardhalfgeleider die in vrijwel elk elektronisch apparaat wordt aangetroffen.

Over de afgelopen tien jaar, Onderzoekers van de Colorado State University hebben baanbrekende studies geleid naar het verbeteren van de prestaties en kosten van zonne-energie door nieuwe materialen te fabriceren en te testen die verder gaan dan de mogelijkheden van silicium. Ze hebben zich gericht op een materiaal dat veelbelovend is voor het vervangen van silicium, cadmiumtelluride genoemd.

In samenwerking met partners van Loughborough University in het Verenigd Koninkrijk, onderzoekers van het door de National Science Foundation gesteunde Next Generation Photovoltaics Center van CSU hebben een belangrijke doorbraak gemeld in de manier waarop de prestaties van dunne-film zonnecellen met cadmiumtelluride nog verder worden verbeterd door de toevoeging van een ander materiaal, selenium. Hun resultaten werden gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Energie eerder deze maand en zijn het onderwerp van een "News and Views"-artikel.

"Ons artikel gaat rechtstreeks naar het fundamentele begrip van wat er gebeurt als we selenium legeren tot cadmiumtelluride, " zei Kurt Barth, een directeur van het Next Generation Photovoltaics Center en een universitair hoofddocent bij de afdeling Werktuigbouwkunde.

Tot nu, het was niet goed begrepen waarom de toevoeging van selenium heeft geleid tot een recordrendement van cadmiumtelluride-zonnecellen - de verhouding tussen energie-output en lichtinput - van iets meer dan 22 procent. Samen met CSU-medewerkers W.S. Sampath en Amit Munshi, Barth en een internationaal team hebben dat mysterie opgelost. Hun experimenten onthulden dat selenium de effecten van atomaire schaaldefecten in cadmiumtelluridekristallen overwint, een nieuwe weg te banen voor meer wijdverbreide, goedkopere door zonne-energie opgewekte elektriciteit.

De dunne cadmiumtelluride-films die het CSU-team in het laboratorium maakt, gebruiken 100 keer minder materiaal dan conventionele siliciumzonnepanelen. Ze zijn dus gemakkelijker te vervaardigen, en ze absorberen zonlicht op bijna de ideale golflengte. Elektriciteit geproduceerd door cadmiumtelluride fotovoltaïsche cellen is de goedkoopste die beschikbaar is in de zonne-industrie, het onderbieden van op fossiele brandstoffen gebaseerde bronnen in veel regio's van de wereld.

Volgens het blad, elektronen die worden gegenereerd wanneer zonlicht het met selenium behandelde zonnepaneel raakt, worden minder snel gevangen en verloren door de defecten van het materiaal, gelegen op de grenzen tussen kristalkorrels als ze worden gekweekt. Dit verhoogt de hoeveelheid energie die uit elke zonnecel wordt gehaald. Werken met materialen die bij CSU zijn vervaardigd via geavanceerde depositiemethoden, het team ontdekte dit onverwachte gedrag door te meten hoeveel licht wordt uitgestraald door seleniumhoudende panelen.

Omdat selenium niet gelijkmatig over de panelen wordt verdeeld, ze vergeleken luminescentie afkomstig van gebieden waar weinig tot geen selenium aanwezig was en gebieden waar het selenium zeer geconcentreerd was.

"Goed zonnecelmateriaal dat defectvrij is, is zeer efficiënt in het uitstralen van licht, en zo sterk oplicht, " zei Tom Fiducia, hoofdauteur van het papier en een Ph.D. student aan de Universiteit van Loughborough, werken met professor Michael Walls. "Het is opvallend duidelijk als je de gegevens ziet dat seleniumrijke gebieden veel helderder oplichten dan het pure cadmiumtelluride, en het effect is opmerkelijk sterk."