Natuurkundigen van de Universiteit van Paderborn hebben complexe computersimulaties gebruikt om een ​​nieuw ontwerp te ontwikkelen voor aanzienlijk efficiëntere zonnecellen dan voorheen beschikbaar was. Een dunne laag organisch materiaal, bekend als tetraceen, is verantwoordelijk voor de verhoging van de efficiëntie. De resultaten zijn nu gepubliceerd in Physical Review Letters.

“De jaarlijkse energie van zonnestraling op aarde bedraagt ​​meer dan een biljoen kilowattuur en overtreft daarmee de mondiale energievraag ruim 5000 keer. Fotovoltaïsche energie, dat wil zeggen de opwekking van elektriciteit uit zonlicht, biedt daarom een ​​groot en nog grotendeels onbenut potentieel voor het aanbod van schone en hernieuwbare energie. Siliciumzonnecellen die voor dit doel worden gebruikt, domineren momenteel de markt, maar hebben efficiëntiegrenzen", legt prof. dr. Wolf Gero Schmidt uit, natuurkundige en decaan van de Faculteit der Natuurwetenschappen van de Universiteit van Paderborn. Eén reden hiervoor is dat een deel van de energie uit kortegolfstraling niet wordt omgezet in elektriciteit, maar in ongewenste warmte.

Schmidt legt uit:“Om het rendement te verhogen kan de siliciumzonnecel worden voorzien van een organische laag, bijvoorbeeld gemaakt van het halfgeleidertetraceen. In deze laag wordt kortegolflicht geabsorbeerd en omgezet in hoogenergetische elektronische excitaties. -excitonen genoemd. Deze excitonen vervallen in het tetraceen in twee excitaties met lage energie. Deze excitaties kunnen met succes worden overgedragen naar de siliciumzonnecel, ze kunnen efficiënt worden omgezet in elektriciteit en de totale opbrengst aan bruikbare energie verhogen.>

Beslissende doorbraak voor snelle energieoverdracht

De excitatieoverdracht van tetraceen naar silicium wordt door het team van Schmidt onderzocht met behulp van complexe computersimulaties in het Paderborn Center for Parallel Computing (PC2), het krachtige rekencentrum van de universiteit. Er is nu een beslissende doorbraak bereikt:in een gezamenlijk onderzoek met Dr. Marvin Krenz en Prof. Dr. Uwe Gerstmann, beiden van de Universiteit van Paderborn, hebben de wetenschappers aangetoond dat speciale defecten in de vorm van onverzadigde chemische bindingen op het grensvlak tussen het tetraceen film en de zonnecel versnellen de excitonoverdracht dramatisch.

Schmidt merkt op:"Dergelijke defecten treden op tijdens de desorptie van waterstof en veroorzaken elektronische interfacetoestanden met fluctuerende energie. Deze fluctuaties transporteren de elektronische excitaties van het tetraceen naar het silicium als een lift."

Dergelijke ‘defecten’ in zonnecellen worden feitelijk geassocieerd met energieverliezen. Dit maakt de resultaten van het trio natuurkundigen des te verbazingwekkender.

"In het geval van het siliciumtetraceen-interface zijn de defecten essentieel voor de snelle energieoverdracht. De resultaten van onze computersimulaties zijn werkelijk verrassend. Ze bieden ook nauwkeurige aanwijzingen voor het ontwerp van een nieuw type zonnecel met aanzienlijk verhoogde efficiëntie, ", stelt Schmidt.

Meer informatie: Marvin Krenz et al, Defect-Assisted Exciton Transfer across the Tetracene-Si(111):H Interface, Fysieke beoordelingsbrieven (2024). DOI:10.1103/PhysRevLett.132.076201 journals.aps.org/prl/abstract/ … ysRevLett.132.076201

Aangeboden door Paderborn Universiteit