Rendement zonnecellen omhoog door optimalisatie nanostructuur

Een internationaal team van onderzoekers heeft nanostructuur weten te optimaliseren. Hierdoor kunnen zonnecellen een hogere efficiëntie bereiken. Dankzij optimalisatie van de structuur levert de zonnecel meer stroom en wordt minder energie verloren in de vorm van warmte.

Het onderzoek is uitgevoerd door een team bestaande uit mensen van TU Delft, Stichting FOM, Toyota Motor Europe en de universiteit van California. Om de impact van een geoptimaliseerde nanostructuur beter te begrijpen, is belangrijk om te weten hoe zonnecellen werken.

Werking zonnecellen
TU Delft vertelt over de werking van zonnecellen: “Een conventionele zonnecel bevat een laag silicium. Wanneer zonlicht op deze laag valt, absorberen elektronen in het silicium de energie van de lichtdeeltjes (fotonen). Met deze energie springen de elektronen over een 'energiekloof', waardoor ze vrij kunnen bewegen: er gaat een stroom lopen.”

Optimaal rendement
Het zonnecel-rendement is optimaal als de energie van het foton gelijk is aan de energiekloof van het silicum. Zonlicht bevat veel fotonen met energieën die groter zijn dan de energiekloof; het overschot gaat verloren als warmte, wat het rendement van een conventionele zonnecel beperkt.

Dit energieoverschot kan tóch nuttig gebruikt worden. Dit werd een aantal jaar geleden aangetoond door onder andere onderzoeken van TU Delft; in kleine bolletjes van een halfgeleidermateriaal laat het energieoverschot extra elektronen over de energiekloof springen. De nanobolletjes, die de naam quantum dots dragen, hebben een diameter van slechts een tienduizendste van een mensenhaar.

Gevangen
Struikelblok was hierbij dat de elektronen in hun quantum dots gevangen blijven en niet bijdragen aan de stroom in de zonnecel. TU Delft meldt dat dat probleem te wijten is aan de grote moleculen die het oppervlak van quantum dots stabiliseren. Deze grote moleculen verhinderen dat elektronen overspringen van een quantum dot naar de volgende, waardoor er geen stroom loopt.

Nieuw ontwerp
In het nieuwe ontwerp werden de grote moleculen door kleine moleculen vervangen. In hun nieuwe ontwerp vervingen de onderzoekers de grote moleculen door kleine moleculen, en vulden ze de lege ruimte tussen de quantum dots met aluminiumoxide. Daardoor ontstond veel meer contact tussen de quantum dots, en konden de elektronen wel vrij bewegen.

Opmerkelijk is dat deze efficiënte zonnecelsoort vrij eenvoudig te produceren is. Zo wordt de structuur van de gekoppelde nanobollen als een soort verf in lagen op de zonnecel aangebracht. Dat betekent dat de nieuwe zonnecellen efficiënter én goedkoper zijn.De Nederlandse onderzoekers willen nu met internationale partners aan de slag om complete zonnecellen met dit ontwerp te ontwikkelen.