Onderzoekers van de Stichting FOM, Technische Universiteit Delft, Toyota Motor Europe en de University of California hebben een nanostructuur ontwikkeld waarmee ze zonnecellen zeer efficiënt kunnen maken. De onderzoekers publiceerden hun bevindingen op 23 augustus 2013 in de online editie van Natuurcommunicatie .

Slimme nanostructuren kunnen het rendement van zonnecellen verhogen. Een internationaal team van onderzoekers, waaronder natuurkundigen van de Stichting FOM, TU Delft en Toyota, hebben nu de nanostructuren geoptimaliseerd zodat de zonnecel meer elektriciteit levert en minder energie verliest in de vorm van warmte.

Zonnepanelen

Een conventionele zonnecel bevat een laag silicium. Wanneer zonlicht op deze laag valt, elektronen in het silicium absorberen de energie van de lichtdeeltjes (fotonen). Met deze energie springen de elektronen over een 'band gap', waardoor ze vrij kunnen bewegen en elektriciteit stroomt.

De opbrengst van een zonnecel wordt geoptimaliseerd als de fotonenergie gelijk is aan de band gap van silicium. Zonlicht, echter, bevat veel fotonen met energieën die groter zijn dan de band gap. De overtollige energie gaat verloren als warmte, wat de opbrengst van een conventionele zonnecel beperkt.

Nanosferen

Enkele jaren geleden hebben de onderzoekers van de TU Delft, evenals andere natuurkundigen, aangetoond dat de overtollige energie nog goed besteed kon worden. In kleine bolletjes van een halfgeleidend materiaal zorgt de overtollige energie ervoor dat extra elektronen over de band gap kunnen springen. Deze nanobolletjes, de zogenaamde kwantumdots, hebben een diameter van slechts een tienduizendste van een mensenhaar.

Als een lichtdeeltje een elektron in een kwantumstip in staat stelt de band gap te passeren, het elektron beweegt in de stip. Dat zorgt ervoor dat het elektron botst met andere elektronen die vervolgens ook over de band gap springen. Als resultaat van dit proces kan een enkel foton meerdere elektronen mobiliseren, waardoor de hoeveelheid geproduceerde stroom wordt vermenigvuldigd.

Contact tussen kwantumstippen

Echter, tot nu toe was het probleem dat de elektronen gevangen bleven in hun kwantumdots en dus niet konden bijdragen aan de stroom in de zonnecel. Dat kwam door de grote moleculen die het oppervlak van kwantumstippen stabiliseren. Deze grote moleculen belemmeren de elektronen die van de ene kwantumdot naar de andere springen en er vloeit dus geen stroom.

In het nieuwe ontwerp is de onderzoekers vervingen de grote moleculen door kleine moleculen en vulden de lege ruimte tussen de quantum dots met aluminiumoxide. Dit leidde tot veel meer contact tussen de quantum dots waardoor de elektronen vrij konden bewegen.

Opbrengst

Met behulp van laserspectroscopie zagen de natuurkundigen dat één enkel foton inderdaad het vrijkomen van meerdere elektronen veroorzaakte in het materiaal met gekoppelde kwantumdots. Alle elektronen die over de band gap sprongen, bewogen vrij in het materiaal. Hierdoor stijgt het theoretische rendement van zonnecellen die dergelijke materialen bevatten tot 45%, die meer dan 10% hoger is dan een conventionele zonnecel.

Dit efficiëntere type zonnecel is eenvoudig te produceren:de structuur van gekoppelde nanobolletjes kan als een soort gelaagde verf op de zonnecel worden aangebracht. Hierdoor zullen de nieuwe zonnecellen niet alleen efficiënter maar ook goedkoper zijn dan conventionele cellen.

De Nederlandse onderzoekers willen nu samenwerken met internationale partners om met dit ontwerp complete zonnecellen te produceren.