Een laag silicium nanokristallen en erbium-ionen kan zonnecellen helpen om meer energie uit het ultraviolette (UV, hoogenergetisch) deel van het zonnespectrum. Experimenteel natuurkundigen van de Stichting FOM, de Technologiestichting STW en de Universiteit van Amsterdam publiceerden dit nieuws in Natuurcommunicatie op 13 augustus 2014. Wanneer conventionele zonnecellen op siliciumbasis UV-licht absorberen, veel van zijn energie gaat verloren in de vorm van warmte. De onderzoekers toonden aan dat deze overtollige energie kan worden gebruikt om meerdere erbium-ionen op te wekken. Hierdoor zenden de ionen licht uit, die vervolgens kan worden omgezet in elektriciteit.

Conventionele zonnecellen kunnen maar een klein deel van het zonnespectrum efficiënt omzetten in elektriciteit. Laagenergetische lichtdeeltjes (fotonen) worden niet geabsorbeerd, omdat ze niet genoeg energie hebben om de band gap van het materiaal waaruit zonnecellen zijn gemaakt te overbruggen. Daarentegen, hoogenergetische fotonen kunnen worden geabsorbeerd, maar in slechts een paar picoseconden (10 ^-12 seconden) wordt veel van hun energie omgezet in warmte. Dit beperkt de maximale efficiëntie tot slechts 30 procent.

Snel en efficiënt

Saba Saeed en haar collega's hebben nu aangetoond dat het conversierendement potentieel kan worden verhoogd door beter gebruik te maken van de energie in deze hoogenergetische fotonen. Dit kan worden bereikt met een laag bestaande uit siliciumdioxide, silicium nanokristallen (deeltjes ter grootte van een miljardste meter) en erbiumionen. De silicium nanokristallen dragen hun overtollige energie over aan de erbium-ionen, voordat het als warmte verloren gaat. Dit leidt tot de emissie van meerdere laagenergetische infraroodfotonen per geabsorbeerd foton, die extra elektriciteit kunnen produceren. In vergelijking met zonlichtconcentratoren, die soms ook gebruik maken van zeldzame aardmetalen zoals erbium, deze techniek biedt uitzicht op een hoger rendement.

Spectrale vormer

Hoewel het proces experimenteel is aangetoond, het is nog niet gebruikt in een fotovoltaïsche architectuur (een zonnecel). In de toekomst, een laag silicium nanokristallen en erbium-ionen zou als 'spectral shaper' op zonnecellen kunnen worden geplaatst, om hun efficiëntie te vergroten. De 'spectral shapers' zouden hoogenergetische UV-fotonen omzetten in verschillende laagenergetische fotonen, die vervolgens kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken in een zonnecel.

De vervolgstudie zal zich richten op verdere verfijning van de conversielagen door de grootte en afstand van de silicium nanokristallen aan te passen, de concentratie en het type zeldzame-aarde-ionen, en door de laagdikte te optimaliseren. Ook wordt onderzocht of een dergelijke 'spectral shaper' kan worden geïntegreerd in de antireflecterende coatinglaag die elke zonnecel bedekt.