211service.com
Meer licht opvangen met een enkele zonnecel
De meest efficiënte zonnecellen hebben meestal meerdere lagen halfgeleidermaterialen, elk afgestemd om verschillende kleuren licht om te zetten in elektriciteit. Onderzoekers bij Lawrence Berkeley National Lab hebben nu een enkele halfgeleider gemaakt die bijna hetzelfde werk doet. Wat nog belangrijker is, ze maakten het materiaal met behulp van een gemeenschappelijke productietechniek, wat suggereert dat het relatief goedkoop kon worden gemaakt.
Prototype cel: Deze kleine zonnecel is gemaakt van halfgeleidermateriaal dat is ontworpen om meer van het zonnespectrum te absorberen.
Verschillende onderzoeksgroepen ontwikkelen halfgeleidermaterialen die meer van de energie in zonlicht benutten, gebaseerd op een idee uit 1960 om de interactie van halfgeleidermaterialen in zonnecellen met licht te veranderen. Maar de materialen die in dat onderzoek zijn gebruikt, zijn vaak erg moeilijk te maken.
Er moet nog veel werk worden verzet voordat het laboratoriummateriaal van Lawrence Berkeley kan worden gebruikt in een praktische zonnecel, maar in theorie zou het bijna de helft van de energie in zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit - drie keer zoveel als de meeste enkellaagse (of enkelvoudige) zonnecellen cellen. Een dergelijke zonnecel zou ook minder kunnen kosten dan de gelaagde (of multi-junction) zonnecellen die momenteel nodig zijn om hoge efficiënties te bereiken, aangezien er slechts één halfgeleidermateriaal nodig zou zijn.
In een conventioneel halfgeleidermateriaal is een bepaalde hoeveelheid energie nodig om een elektron vrij te maken en elektriciteit op te wekken. Fotonen die minder energie hebben, bijvoorbeeld de fotonen in infrarood licht, wekken geen elektriciteit op. En als een foton meer heeft dan het minimum, bijvoorbeeld een foton in energetisch ultraviolet licht, gaat de extra energie verloren als warmte.
Het nieuwe halfgeleidermateriaal is gebaseerd op galliumarsenide. Normaal gesproken heeft dit materiaal energierijke fotonen nodig om elektriciteit op te wekken. Maar de onderzoekers hebben het zo aangepast dat de energie van meer dan één foton wordt gebruikt om een elektron te bevrijden - energie telt op totdat er een elektron vrijkomt. Door een deel van de arseenatomen in het materiaal te vervangen door stikstofatomen, ontstaan gebieden die fungeren als opstapjes voor elektronen die wat energie hebben geabsorbeerd van fotonen met lage energie, waar ze kunnen wachten om energie van meer fotonen te ontvangen, zegt Wladek Walukiewicz , die de Solar Energy Materials Research Group leidt in het Lawrence Berkeley-lab, en ook het project leidde.
Het nieuwe materiaal zet hoogenergetische fotonen om in elektriciteit zonder hun energie als warmte te verspillen, en zet ook laagenergetische fotonen om in elektriciteit - fotonen die normaal niet door het materiaal zouden worden geabsorbeerd.
Een soortgelijk effect wordt bereikt in commerciële multi-junction zonnecellen, die worden gemaakt door in wezen drie zonnecellen op elkaar te stapelen, elk geoptimaliseerd voor een andere kleur licht. Maar het combineren van deze drie zonnecellen is duur en complex, omdat elke laag nauw moet aansluiten op de andere lagen.
Het prototype zonnecel is nog relatief inefficiënt. Een deel van het probleem is dat veel van de elektronen die wat energie hebben geabsorbeerd van fotonen met lage energie, die energie niet lang genoeg vasthouden om energie van een ander foton te absorberen. Deze elektronen komen nooit uit materiaal en de energie gaat verloren als warmte. De onderzoekers werken samen met twee bedrijven, Rose Street Labs Energy en Sumika Electronic Materials, om dit probleem op te lossen. Een optie is bijvoorbeeld het materiaal te dopen met fosforatomen om hun elektrische eigenschappen te veranderen.
Dat zal een uitdaging zijn, zegt Andrew Norman, een onderzoekswetenschapper bij de Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie . Norman heeft ook aan dit type zonnecel gewerkt, zij het dat deze van zeer verschillende materialen is gemaakt. Norman zegt dat het nieuwe werk interessant is, vooral vanwege de hoge spanningsniveaus die de cel produceert, maar hij merkt op dat het moeilijk is gebleken om dit type cel te commercialiseren. Je moet je afvragen waarom in 50 jaar niemand nog succesvol is geweest, zegt hij.