Onderzoekers van de Technische Universiteit van Wenen laten zien dat een recent ontdekte klasse materialen gebruikt kan worden om een ​​nieuw soort zonnecel te maken.

Enkele atomaire lagen worden gecombineerd om nieuwe materialen te creëren met volledig nieuwe eigenschappen. Gelaagde oxide heterostructuren zijn een nieuwe klasse van materialen, die de laatste jaren veel aandacht heeft gekregen van materiaalwetenschappers. Een onderzoeksteam van de Technische Universiteit van Wenen, samen met collega's uit de VS en Duitsland, heeft nu aangetoond dat deze heterostructuren kunnen worden gebruikt om een ​​nieuw soort uiterst efficiënte ultradunne zonnecellen te maken.

Nieuwe materiaaleigenschappen ontdekken in computersimulaties

"Enkele atoomlagen van verschillende oxiden worden gestapeld, het creëren van een materiaal met elektronische eigenschappen die enorm verschillen van de eigenschappen die de individuele oxiden op zich hebben", zegt professor Karsten Held van het Institute for Solid State Physics, Technische Universiteit Wenen. Om nieuwe materialen te ontwerpen met precies de juiste fysieke eigenschappen, de structuren werden bestudeerd in grootschalige computersimulaties. Als resultaat van dit onderzoek, de wetenschappers van de TU Wenen ontdekten dat de oxide-heterostructuren een groot potentieel hebben voor het bouwen van zonnecellen.

Licht omzetten in elektriciteit

Het basisidee achter zonnecellen is het foto-elektrisch effect. De eenvoudigste versie werd al in 1905 door Albert Einstein uitgelegd:wanneer een foton wordt geabsorbeerd, het kan ervoor zorgen dat een elektron zijn plaats verlaat en elektrische stroom begint te vloeien. Wanneer een elektron wordt verwijderd, een positief geladen gebied blijft achter - een zogenaamd "gat". Zowel de negatief geladen elektronen als de gaten dragen bij aan de elektrische stroom.

"Als deze elektronen en gaten in de zonnecel recombineren in plaats van weggevoerd te worden, er gebeurt niets en de energie kan niet worden gebruikt", zegt Elias Assmann, die een groot deel van de computersimulaties aan de TU Wenen uitvoerde. "Het cruciale voordeel van het nieuwe materiaal is dat op microscopische schaal, er is een elektrisch veld in het materiaal, die elektronen en gaten scheidt." Dit verhoogt het rendement van de zonnecel.

Twee isolatoren maken een metaal

De oxiden die worden gebruikt om het materiaal te maken, zijn eigenlijk isolatoren. Echter, als twee geschikte typen isolatoren worden gestapeld, een verbazingwekkend effect kan worden waargenomen:de oppervlakken van het materiaal worden metallisch en geleiden elektrische stroom. "Voor ons, dit is erg belangrijk. Dit effect stelt ons in staat om de ladingsdragers gemakkelijk te extraheren en een elektrisch circuit te creëren", zegt Karsten Held. Conventionele zonnecellen gemaakt van silicium hebben metalen draden op hun oppervlak nodig om de ladingsdragers te verzamelen, maar deze draden blokkeren een deel van het licht dat de zonnecel binnenkomt.

Niet alle fotonen worden met dezelfde efficiëntie omgezet in elektrische stroom. Voor verschillende kleuren licht, verschillende materialen werken het beste. "De oxide-heterostructuren kunnen worden afgestemd door precies de juiste chemische elementen te kiezen", zegt professor Blaha (TU Wenen). In de computersimulaties oxiden die lanthaan en vanadium bevatten werden bestudeerd, want zo werken de materialen bijzonder goed samen met het natuurlijke licht van de zon. "Het is zelfs mogelijk om verschillende soorten materialen te combineren, zodat verschillende kleuren licht met maximaal rendement in verschillende lagen van de zonnecel kunnen worden geabsorbeerd", zegt Elias Assmann.

Theorie in praktijk brengen

Het team van de TU Wenen werd bijgestaan ​​door Satoshi Okamoto (Oak Ridge National Laboratory, Tennessee, VS) en professor Giorgio Sangiovanni, een voormalig medewerker van de TU Wenen, die nu aan de universiteit van Würzburg werkt, Duitsland. In Würzburg, de nieuwe zonnecellen worden nu gebouwd en getest. "De productie van deze zonnecellen gemaakt van oxidelagen is ingewikkelder dan het maken van standaard silicium zonnecellen. Maar waar een extreem hoog rendement of een minimale dikte vereist is, de nieuwe structuren moeten siliciumcellen kunnen vervangen", Karsten Held gelooft.