(Phys.org) — Het gebruik van een exotische vorm van silicium zou de efficiëntie van zonnecellen aanzienlijk kunnen verbeteren, volgens computersimulaties door onderzoekers van de Universiteit van Californië, Davis, en in Hongarije. Het werk werd op 25 januari gepubliceerd in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven .

Zonnecellen zijn gebaseerd op het foto-elektrisch effect:een foton, of lichtdeeltje, raakt een siliciumkristal en genereert een negatief geladen elektron en een positief geladen gat. Door die elektron-gatparen te verzamelen, wordt elektrische stroom gegenereerd.

Conventionele zonnecellen genereren één elektron-gatpaar per inkomend foton, en hebben een theoretisch maximaal rendement van 33 procent. Een opwindende nieuwe route naar verbeterde efficiëntie is het genereren van meer dan één elektron-gatpaar per foton, zei Giulia Galli, hoogleraar scheikunde aan UC Davis en co-auteur van het artikel.

"Deze aanpak is in staat om de maximale efficiëntie te verhogen tot 42 procent, voorbij elke zonnecel die vandaag beschikbaar is, dat zou nogal wat zijn, " zei hoofdauteur Stefan Wippermann, een postdoctoraal onderzoeker aan UC Davis.

"In feite, er is reden om aan te nemen dat als parabolische spiegels worden gebruikt om het zonlicht op zo'n zonnecel met een nieuw paradigma te richten, de efficiëntie kan oplopen tot 70 procent, ', aldus Wippermann.

Galli zei dat nanodeeltjes een grootte hebben van nanometers, meestal slechts een paar atomen breed. Door hun kleine formaat, veel van hun eigenschappen verschillen van bulkmaterialen. Vooral, de kans op het genereren van meer dan één elektron-gatpaar is veel groter, gedreven door een effect dat 'kwantumbeperking' wordt genoemd. Experimenten om dit paradigma te verkennen worden nagestreefd door onderzoekers van het Los Alamos National Laboratory, het Nationaal Laboratorium voor Hernieuwbare Energie in Golden, kleur, evenals bij UC Davis.

"Maar met nanodeeltjes van conventioneel silicium, het paradigma werkt alleen in ultraviolet licht, "Zei Wippermann. "Deze nieuwe aanpak zal alleen nuttig worden als is aangetoond dat het werkt in zichtbaar zonlicht."

De onderzoekers simuleerden het gedrag van een structuur van silicium genaamd silicium BC8, die wordt gevormd onder hoge druk maar stabiel is bij normale druk, zoals diamant een vorm van koolstof is die onder hoge druk wordt gevormd, maar stabiel is bij normale druk.

De computersimulaties werden uitgevoerd door het National Energy Research Scientific Supercomputing Center in het Lawrence Berkeley Laboratory, waardoor het project 10 miljoen uur supercomputertijd kreeg.

De simulaties toonden aan dat nanodeeltjes van silicium BC8 inderdaad meerdere elektron-gatparen per foton genereren, zelfs wanneer ze worden blootgesteld aan zichtbaar licht.

"Dit is meer dan een academische oefening. Een Harvard-MIT-paper toonde aan dat wanneer normale siliciumzonnecellen worden bestraald met laserlicht, de energie die de laser uitzendt, kan een lokale druk creëren die hoog genoeg is om BC8-nanokristallen te vormen. Dus, laser- of chemische drukbehandeling van bestaande zonnecellen kan ze veranderen in deze cellen met een hoger rendement, " zei co-auteur Gergely Zimanyi, hoogleraar natuurkunde aan UC Davis.