In elke conventionele op silicium gebaseerde zonnecel, er is een absolute grens aan de algehele efficiëntie, gedeeltelijk gebaseerd op het feit dat elk foton van licht slechts één enkel elektron kan losmaken, zelfs als dat foton twee keer de energie bevat die daarvoor nodig is. Maar nu, onderzoekers hebben een methode gedemonstreerd om hoogenergetische fotonen die op silicium slaan, twee elektronen eruit te laten schoppen in plaats van één, opende de deur voor een nieuw soort zonnecel met een grotere efficiëntie dan voor mogelijk werd gehouden.

Terwijl conventionele siliciumcellen een absolute theoretische maximale efficiëntie hebben van ongeveer 29,1 procent omzetting van zonne-energie, de nieuwe aanpak, ontwikkeld in de afgelopen jaren door onderzoekers van MIT en elders, door die limiet zou kunnen breken, mogelijk meerdere procentpunten toevoegen aan die maximale output. De resultaten worden vandaag beschreven in het tijdschrift Natuur , in een paper van promovendus Markus Einzinger, hoogleraar scheikunde Moungi Bawendi, hoogleraar elektrotechniek en informatica Marc Baldo, en acht anderen aan het MIT en aan de Princeton University.

Het basisconcept achter deze nieuwe technologie is al tientallen jaren bekend, en de eerste demonstratie dat het principe kon werken, werd zes jaar geleden door enkele leden van dit team uitgevoerd. Maar eigenlijk de methode vertalen naar een volledige, operationele silicium zonnecel vergde jaren van hard werken, zegt Baldo.

Die eerste demonstratie "was een goed testplatform" om te laten zien dat het idee zou kunnen werken, legt Daniel Congreve Ph.D. '15, een alumnus nu aan het Rowland Institute in Harvard, wie was de hoofdauteur in dat eerdere rapport en is een co-auteur van het nieuwe artikel. Nutsvoorzieningen, met de nieuwe resultaten "we hebben gedaan wat we wilden doen" in dat project, hij zegt.

De originele studie toonde de productie aan van twee elektronen uit één foton, maar dat deed het in een organische fotovoltaïsche cel, die minder efficiënt is dan een silicium zonnecel. Het bleek dat het overbrengen van de twee elektronen van een bovenste verzamellaag van tetraceen naar de siliciumcel "niet eenvoudig was, " zegt Baldo. Troy Van Voorhis, een professor scheikunde aan het MIT die deel uitmaakte van dat oorspronkelijke team, wijst erop dat het concept voor het eerst werd voorgesteld in de jaren zeventig, en zegt wrang dat het omzetten van dat idee in een praktisch apparaat 'slechts 40 jaar heeft geduurd'.

De sleutel tot het splitsen van de energie van één foton in twee elektronen ligt in een klasse van materialen die "opgewonden toestanden" bezitten die excitonen worden genoemd, Baldo zegt:In deze excitonische materialen, "deze energiepakketten planten zich voort zoals de elektronen in een circuit, " maar met heel andere eigenschappen dan elektronen. "Je kunt ze gebruiken om energie te veranderen - je kunt ze in tweeën snijden, je kunt ze combineren." In dit geval ze gingen door een proces dat singlet-exciton-splijting wordt genoemd, dat is hoe de energie van het licht in twee afzonderlijke wordt gesplitst, onafhankelijk bewegende energiepakketten. Het materiaal absorbeert eerst een foton, het vormen van een exciton dat snel splijting ondergaat in twee aangeslagen toestanden, elk met de helft van de energie van de oorspronkelijke staat.

Maar het lastige was om die energie vervolgens in het silicium te koppelen, een materiaal dat niet excitonisch is. Deze koppeling was nog nooit eerder tot stand gekomen.

Als tussenstap, het team probeerde de energie van de excitonische laag te koppelen aan een materiaal dat kwantumstippen wordt genoemd. "Ze zijn nog steeds opgewonden, maar ze zijn anorganisch, ' zegt Baldo. 'Dat werkte; het werkte als een tierelier, "zegt hij. Door het mechanisme te begrijpen dat in dat materiaal plaatsvindt, hij zegt, "we hadden geen reden om te denken dat silicium niet zou werken."

Wat dat werk liet zien, Van Voorhis zegt, is dat de sleutel tot deze energieoverdrachten in het oppervlak van het materiaal ligt, niet in zijn massa. "Dus het was duidelijk dat de oppervlaktechemie op silicium belangrijk zou zijn, dat zou bepalen welke soorten oppervlaktetoestanden er waren." Die focus op de oppervlaktechemie was misschien de reden waarom dit team kon slagen waar anderen dat niet hadden gedaan, hij stelt voor.

De sleutel zat in een dunne tussenlaag. "Het blijkt dat dit kleine, een kleine strook materiaal op het grensvlak tussen deze twee systemen [de siliciumzonnecel en de tetraceenlaag met zijn excitonische eigenschappen] definieerden uiteindelijk alles. Daarom konden andere onderzoekers dit proces niet laten werken, en waarom we dat uiteindelijk deden." Het was Einzinger "die eindelijk die noot kraakte, " hij zegt, door een laag van een materiaal genaamd hafniumoxynitride te gebruiken.

De laag is slechts enkele atomen dik, of slechts 8 angstrom (tien miljardste van een meter), maar het fungeerde als een "mooie brug" voor de aangeslagen toestanden, zegt Baldo. Dat maakte het uiteindelijk mogelijk voor de enkele hoogenergetische fotonen om de afgifte van twee elektronen in de siliciumcel te activeren. Dat levert een verdubbeling op van de hoeveelheid energie die wordt geproduceerd door een bepaalde hoeveelheid zonlicht in het blauwe en groene deel van het spectrum. Algemeen, dat zou kunnen leiden tot een toename van het vermogen dat door de zonnecel wordt geproduceerd - van een theoretisch maximum van 29,1 procent, tot een maximum van ongeveer 35 procent.

Echte siliciumcellen zijn nog niet op hun maximum, en het nieuwe materiaal ook niet, dus er moet meer ontwikkeld worden, maar de cruciale stap van het efficiënt koppelen van de twee materialen is nu bewezen. "We moeten de siliciumcellen nog optimaliseren voor dit proces, " zegt Baldo. Ten eerste, met het nieuwe systeem kunnen die cellen dunner zijn dan de huidige versies. Er moet ook worden gewerkt aan het stabiliseren van de materialen voor duurzaamheid. Algemeen, commerciële toepassingen zijn waarschijnlijk nog een paar jaar uit, zegt het team.

Andere benaderingen om de efficiëntie van zonnecellen te verbeteren, omvatten meestal het toevoegen van een ander soort cel, zoals een perovskietlaag, over het silicium. Baldo zegt:"ze bouwen de ene cel op de andere. Fundamenteel, we maken één cel - we laden de siliciumcel een beetje op. We voegen meer stroom toe aan het silicium, in tegenstelling tot het maken van twee cellen."

De onderzoekers hebben een speciale eigenschap van hafniumoxynitride gemeten die het helpt de excitonische energie over te dragen. "We weten dat hafniumoxynitride extra lading genereert bij de interface, die verliezen vermindert door een proces dat elektrische veldpassivering wordt genoemd. Als we dit fenomeen beter kunnen beheersen, efficiëntie kan zelfs nog hoger worden." zegt Einzinger. Tot nu toe, geen enkel ander materiaal dat ze hebben getest, kan zijn eigenschappen evenaren.