Om de maximale hoeveelheid energie te produceren, zonnecellen zijn ontworpen om zoveel mogelijk licht van de zon te absorberen. Nu onderzoekers van de Universiteit van Californië, Berkeley, hebben een contra-intuïtief concept gesuggereerd – en gedemonstreerd:zonnecellen moeten worden ontworpen om meer op leds te lijken, licht uitstralen en absorberen.

"Wat we hebben aangetoond, is dat hoe beter een zonnecel is in het uitzenden van fotonen, hoe hoger de spanning en hoe groter de efficiëntie die het kan produceren, " zegt Eli Jablonovitch, hoofdonderzoeker en UC Berkeley hoogleraar elektrotechniek.

Sinds 1961, wetenschappers weten dat, onder ideale omstandigheden, er is een limiet aan de hoeveelheid elektrische energie die kan worden geoogst uit zonlicht dat een typische zonnecel raakt. Deze absolute limiet is theoretisch, ongeveer 33,5 procent. Dat betekent dat maximaal 33,5 procent van de energie van binnenkomende fotonen wordt geabsorbeerd en omgezet in bruikbare elektrische energie.

Maar vijf decennia lang onderzoekers kwamen niet in de buurt van deze efficiëntie:vanaf 2010 het hoogste dat iemand had bereikt, was iets meer dan 26 procent. (Dit is voor vlakke plaat, "single junction" zonnecellen, die lichtgolven boven een bepaalde frequentie absorberen. "Multi-junction" cellen, die meerdere lagen hebben en meerdere frequenties absorberen, hogere efficiëntie kunnen bereiken.)

Recenter, Yablonovitch en zijn collega's probeerden te begrijpen waarom er zo'n grote kloof is tussen de theoretische limiet en de limiet die onderzoekers hebben kunnen bereiken. Terwijl ze werkten, een "samenhangend beeld ontstond, " zegt Owen Miller, een afgestudeerde student aan UC Berkeley en een lid van de groep van Yablonovitch. Ze stuitten op een relatief eenvoudige, als het misschien contra-intuïtief is, oplossing gebaseerd op een wiskundig verband tussen absorptie en emissie van licht.

"Fundamenteel, omdat er een thermodynamisch verband is tussen absorptie en emissie, ", zegt Miller. Het ontwerpen van zonnecellen om licht uit te zenden - zodat fotonen niet "verloren" gaan in een cel - heeft het natuurlijke effect dat de door de zonnecel geproduceerde spanning toeneemt. "Als je een zonnecel hebt die een goede emitter is van licht, het zorgt er ook voor dat het een hogere spanning produceert, " wat op zijn beurt de hoeveelheid elektrische energie verhoogt die uit de cel kan worden geoogst voor elke eenheid zonlicht, zegt Molenaar.

De theorie dat lichtgevende emissie en spanning hand in hand gaan is niet nieuw. Maar het idee was nog nooit overwogen voor het ontwerp van zonnecellen, Molenaar gaat verder.

Dit afgelopen jaar, een in de Bay Area gevestigd bedrijf genaamd Alta Devices, mede opgericht door Yablonovitch, gebruikte het nieuwe concept om een ​​prototype zonnecel te maken gemaakt van galliumarsenide (GaAs), een materiaal dat vaak wordt gebruikt om zonnecellen in satellieten te maken. Het prototype brak het record, springen van 26 procent naar 28,3 procent efficiëntie. Het bedrijf heeft deze mijlpaal bereikt, gedeeltelijk, door de cel zo te ontwerpen dat licht zo gemakkelijk mogelijk uit de cel kan ontsnappen – met behulp van technieken zoals:bijvoorbeeld, verhoging van de reflectiviteit van de achteruitkijkspiegel, die binnenkomende fotonen terugstuurt via de voorkant van het apparaat.

Zonnecellen produceren elektriciteit wanneer fotonen van de zon het halfgeleidermateriaal in een cel raken. De energie van de fotonen stoot elektronen los van dit materiaal, waardoor de elektronen vrij kunnen stromen. Maar het proces van het vrijmaken van elektronen kan ook nieuwe fotonen genereren, in een proces dat luminescentie wordt genoemd. Het idee achter het nieuwe zonnecelontwerp is dat deze nieuwe fotonen - die niet rechtstreeks van de zon komen - zo gemakkelijk mogelijk uit de cel moeten kunnen ontsnappen.

"De eerste reactie is meestal:waarom helpt het [om deze fotonen te laten ontsnappen]?" zegt Miller. "Wil je [de fotonen] niet binnenhouden, waar zouden ze misschien meer elektronen kunnen creëren?" wiskundig, de nieuwe fotonen laten ontsnappen, verhoogt de spanning die de cel kan produceren.

Het werk is "een goede, nuttige manier" om te bepalen hoe wetenschappers de prestaties van zonnecellen kunnen verbeteren, evenals het vinden van creatieve nieuwe manieren om zonnecellen te testen en te bestuderen, zegt Leo Schowalter van Crystal IS, Inc. en gasthoogleraar aan het Rensselaer Polytechnic Institute, die voorzitter is van de CLEO-commissie voor leds, fotovoltaïsche, en energiezuinige fotonica.

Yablonovitch zegt te hopen dat onderzoekers deze techniek kunnen gebruiken om de komende jaren een efficiëntie van bijna 30 procent te behalen. En aangezien het werk van toepassing is op alle soorten zonnecellen, de bevindingen hebben implicaties voor het hele veld.

Het Berkeley-team zal zijn bevindingen presenteren op de Conference on Lasers and Electro Optics (CLEO:2012), 6-11 mei, San Jose, Californië