Onderzoekers van de Purdue University en het National Renewable Energy Laboratory hebben aangetoond dat een nieuw materiaal de efficiëntie van zonnecellen kan verdubbelen.

Conventionele zonnecellen zijn maximaal een derde efficiënt, een limiet die bij wetenschappers bekend staat als de Shockley-Queisser-limiet. Het nieuwe materiaal, een kristallijne structuur die zowel anorganische materialen (jodium en lood) als een organisch materiaal (methyl-ammonium) bevat, verhoogt de efficiëntie zodat het tweederde van de energie uit licht kan transporteren zonder zoveel energie te verliezen aan warmte.

In minder technische termen, dit materiaal zou de hoeveelheid geproduceerde elektriciteit kunnen verdubbelen zonder een significante kostenstijging.

Genoeg zonne-energie bereikt de aarde meerdere keren om in alle energiebehoeften van de planeet te voorzien, maar het vastleggen van die energie was moeilijk - vanaf 2013 slechts ongeveer 1 procent van 's werelds elektriciteitsnet werd geproduceerd door zonnepanelen.

Libai Huang, assistent-professor scheikunde aan Purdue, zegt het nieuwe materiaal, zogenaamde hybride perovskieten, zou zonnecellen maken die dunner zijn dan conventionele siliciumzonnecellen, en is ook flexibel, goedkoop en makkelijk te maken.

"Mijn afstudeerders leren hoe ze het in een paar dagen kunnen maken, " ze zegt.

De doorbraak wordt deze week gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschap .

De meest voorkomende zonnecellen gebruiken silicium als halfgeleider, die slechts een derde van de energie kan overbrengen vanwege de bandafstand, wat de hoeveelheid energie is die nodig is om een ​​elektron van een gebonden toestand naar een geleidende toestand te sturen, waarin de elektronen kunnen bewegen, elektriciteit creëren.

Inkomende fotonen kunnen meer energie hebben dan de band gap, en voor een zeer korte tijd – zo kort dat het moeilijk voor te stellen is – bestaan ​​de elektronen met extra energie. Deze elektronen worden "hete dragers" genoemd, " en in silicium bestaan ​​ze slechts voor één picoseconde (dat is 10 ^-12 seconden) en slechts een maximale afstand van 10 nanometer afleggen. Op dit punt geven de hete dragerelektronen hun energie af als warmte. Dit is een van de belangrijkste redenen voor de inefficiëntie van zonnecellen.

Huang en haar collega's hebben een nieuwe techniek ontwikkeld die het bereik van de beweging en de snelheid van de hete dragers kan volgen met behulp van snelle lasers en microscopen.

"De afstand die hete dragers nodig hebben om te migreren is minstens de dikte van een zonnecel, of ongeveer 200 nanometer, die dit nieuwe perovskietmateriaal kan bereiken, Huang zegt. "Ook deze dragers kunnen ongeveer 100 picoseconden leven, twee orden van grootte langer dan silicium."

Kai Zhu, senior wetenschapper bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, Colorado, en een van de co-auteurs van het tijdschriftartikel, zegt dat dit cruciale factoren zijn voor het maken van een commerciële hot-carrier-zonnecel.

"Deze studie toonde aan dat hete dragers in een standaard polykristallijne dunne film van perovskiet een afstand kunnen afleggen die vergelijkbaar is met of langer is dan de filmdikte die nodig is om een ​​efficiënte perovskiet-zonnecel te bouwen, " zegt hij. "Dit geeft aan dat het potentieel voor het ontwikkelen van perovskietzonnecel met hete drager goed is."

Echter, voordat een commercieel product wordt ontwikkeld, onderzoekers proberen dezelfde technieken te gebruiken die bij Purdue zijn ontwikkeld door lood in het materiaal te vervangen door andere, minder giftig, metalen.

"De volgende stap is het vinden of ontwikkelen van geschikte contactmaterialen of structuren met de juiste energieniveaus om deze hete dragers te extraheren om stroom op te wekken in het externe circuit, " zegt Zhu. "Dit is misschien niet gemakkelijk."