211service.com
Hete elektronen kunnen zonne-energie verdubbelen
Decennialang hebben onderzoekers een theoretische manier onderzocht om het vermogen van zonnecellen te verdubbelen - door gebruik te maken van zogenaamde hete elektronen. Nu hebben onderzoekers van het Boston College nieuw experimenteel bewijs geleverd dat de theorie zal werken. Ze bouwden zonnecellen die een powerboost krijgen van hoogenergetische fotonen. Deze boost, zeggen de onderzoekers, is het resultaat van het extraheren van hete elektronen.
Hot solar: Deze zonnecel is gemaakt van dunne lagen amorf silicium met aluminium stippen die dienen als elektrische contacten aan de achterkant. Het levert het bewijs dat het mogelijk is om de output van zonnecellen te verdubbelen.
De resultaten zijn een stap in de richting van zonnecellen die conventionele efficiëntiegrenzen doorbreken. Door de manier waarop gewone zonnecellen werken, kunnen ze in theorie maximaal ongeveer 35 procent van de energie in zonlicht omzetten in elektriciteit, waarbij de rest als warmte wordt verspild. Het gebruik van hete elektronen kan leiden tot efficiënties tot wel 67 procent, zegt Matthew Beard , een senior wetenschapper bij het National Renewable Energy Laboratory in Golden, CO, die niet betrokken was bij het huidige werk. Een verdubbeling van de efficiëntie van zonnecellen zou de kosten van zonne-energie kunnen halveren.
Conventionele zonnecellen kunnen de energie van bepaalde golflengten van licht alleen efficiënt omzetten in elektriciteit. Wanneer een zonnecel die is geoptimaliseerd voor rode golflengten van licht bijvoorbeeld fotonen van rood licht absorbeert, produceert hij elektronen met een energieniveau dat vergelijkbaar is met dat van de binnenkomende fotonen. Wanneer de cel een blauw foton met een hogere energie absorbeert, produceert deze eerst een elektron met een vergelijkbare hoge energie: een heet elektron. Maar dit verliest veel van zijn energie zeer snel als warmte voordat het de cel kan ontsnappen om elektriciteit te produceren. (Omgekeerd zetten cellen die zijn geoptimaliseerd voor blauw licht rood licht niet om in elektriciteit, dus offeren ze de energie in dit deel van het spectrum op.)
De onderzoekers van het Boston College maakten ultradunne zonnecellen van slechts 15 nanometer dik. Omdat de cellen zo dun waren, konden de hete elektronen snel uit de cel worden getrokken, voordat ze afkoelden. De onderzoekers ontdekten dat de uitgangsspanning van de cellen toenam als ze ze met blauw licht verlichtten in plaats van met rood. Nu halen we de elektronen uit het blauwe licht voordat ze al hun overtollige energie verliezen, zegt Michael Naughton , een professor in de natuurkunde aan het Boston College.
Het probleem is dat, omdat ze zo dun zijn, de zonnecellen het meeste binnenkomende licht doorlaten. Daardoor zetten ze slechts 3 procent van de energie in binnenkomend licht om in elektriciteit. Ik denk dat het veelbelovend is, zegt Beard. Maar hij voegt eraan toe dat ze tot nu toe slechts een vrij klein effect laten zien.
Naughton zegt dat zijn team van plan is dit probleem aan te pakken met behulp van nanodraden. Het basisidee, dat nu door veel verschillende onderzoekers naar voren wordt gebracht, is om bossen te maken van nanodraden die licht over hun lengte absorberen. En omdat elke nanodraad dun is, hoeven de elektronen niet ver te reizen om te ontsnappen naar een geleidende laag op het oppervlak. Dit zou het mogelijk kunnen maken om het hete-elektroneffect te repliceren dat wordt waargenomen in de dunne zonnecellen. Naughton en collega's commercialiseren dergelijke nanodraden via een startup genaamd Solasta , gevestigd in Newton, MA, dat wordt gefinancierd door de gerespecteerde durfkapitaalonderneming Kleiner Perkins Caufield & Byers .
De onderzoekers hopen ook het aantal hete elektronen dat ze uit het geabsorbeerde licht halen, te vergroten. Om dit te doen, wenden ze zich tot een aanpak van Martin Groen , een professor aan de Universiteit van New South Wales in Australië en een leider in het gebruik van hete elektronen in zonnecellen. Deze methode omvat het opnemen van een laag kwantumstippen, die als een soort filter fungeren en selectief elektronen met een hoger dan normaal voltage extraheren, zegt Beard. Naughton zegt dat Solasta al heeft aangetoond dat het mogelijk is om dergelijke kwantumstippen in de nanodraden van het bedrijf te verwerken.