211service.com
Silicium nanokristallen voor superefficiënte zonnecellen
Een typische zonnecel genereert slechts één elektron per foton van binnenkomend zonlicht. Van sommige exotische materialen wordt gedacht dat ze meerdere elektronen per foton produceren, maar voor het eerst is hetzelfde effect waargenomen in silicium. Onderzoekers aan de Nationaal laboratorium voor hernieuwbare energie (NREL), in Golden, CO, toonde aan dat silicium nanokristallen twee of drie elektronen per foton van hoogenergetisch zonlicht kunnen produceren. Het effect zou kunnen leiden tot een nieuw type zonnecel die zowel goedkoop als meer dan twee keer zo efficiënt is als de huidige typische fotovoltaïsche cellen.
Opgepompt silicium: Een microfoto van een stuk kristallijn silicium van zeven nanometer, een nanokristal of kwantumpunt genoemd. Dergelijke constructies zouden de efficiëntie van zonnecellen drastisch kunnen verhogen.
Net als bij eerder werk met andere materialen, zijn de extra elektronen afkomstig van fotonen van blauw en ultraviolet licht, die veel meer energie hebben dan die van de rest van het zonnespectrum, vooral rood en infrarood licht. In de meeste zonnecellen gaat de extra energie in blauw en ultraviolet licht verloren als warmte. Maar het kleine formaat van kristallen op nanoschaal, ook wel kwantumstippen genoemd, leidt tot nieuwe kwantummechanische effecten die deze energie in plaats daarvan omzetten in elektronen.
Door meerdere elektronen te genereren uit hoogenergetische fotonen, zouden zonnecellen gemaakt van silicium nanokristallen theoretisch meer dan 40 procent van de energie in licht kunnen omzetten in elektrisch vermogen, zegt hij. Arthur Nozik, een senior research fellow bij NREL. Daarentegen zijn de huidige zonnepanelen op platte daken op zijn best iets meer dan 20 procent efficiënt en zijn ze theoretisch beperkt tot ongeveer 30 procent efficiëntie. Het concentreren van zonlicht met spiegels of lenzen zou dat cijfer kunnen verhogen tot ongeveer 40 procent, maar dezelfde benadering zou de efficiëntie van een silicium-nanokristallen zonnecel kunnen verhogen tot ruim 60 procent, zegt Nozik.
Bovendien kunnen zonnecellen gemaakt van silicium nanokristallen goedkoop blijken te zijn, waardoor ze een aanzienlijk voordeel hebben ten opzichte van andere benaderingen van hoogrenderende zonnecellen. Geavanceerde multijunction-cellen hebben bijvoorbeeld een efficiëntie van meer dan 40 procent laten zien. Maar deze vereisen gecompliceerde fabricageprocessen die dure halfgeleiders combineren die zijn geoptimaliseerd voor verschillende delen van het zonnespectrum. Silicium-nanokristallen zijn daarentegen relatief eenvoudig te maken, zelfs in vergelijking met het materiaal in conventionele zonnecellen, waarvan de beste zijn gemaakt van zeer grote, eenkristallen van silicium.
Silicium-nanokristallen hebben ook duidelijke voordelen ten opzichte van de andere nanokristalmaterialen die het multi-elektroneffect hebben laten zien. Sommige van deze materialen bevatten giftige elementen zoals lood of cadmium, en andere zijn afhankelijk van elementen zoals indium die beperkt beschikbaar zijn. Maar silicium is zowel veilig als overvloedig. Het is ook goed bestudeerd, zegt Christiana Honsberg , hoogleraar elektrische en computertechniek aan de Universiteit van Delaware, zodat ingenieurs weten hoe ze ermee moeten werken om zonnecellen te maken. Om veel van dezelfde redenen is silicium tegenwoordig verreweg het meest voorkomende materiaal in zonnecellen, en het is aantrekkelijk als basis voor een bredere toepassing van fotovoltaïsche energie in de toekomst.
Vóór het NREL-werk geloofden onderzoekers dat siliciumkristallen die klein genoeg zijn om het multi-elektroneffect te produceren, onpraktisch zouden zijn als fotovoltaïsch materiaal. Op nanoschaal veranderen de optische eigenschappen van silicium waardoor het minder licht van het rode uiteinde van het spectrum omzet in elektronen. Als gevolg hiervan zouden eventuele voordelen van het efficiënter omzetten van blauw en ultraviolet licht teniet worden gedaan. Nozik en zijn collega's ontdekten dat de nanokristallen niet zo klein hoefden te zijn als eerder werd gedacht, om dit probleem te omzeilen.
Zeker, het NREL-werk is slechts een eerste stap. Het maken van zonnecellen die profiteren van de generatie van meerdere elektronen is een uitdaging. Dat komt omdat de extra elektronen van zeer korte duur zijn, waardoor het moeilijk is om ze uit de nanokristallen te halen om een elektrische stroom op te wekken. Dit is inderdaad zo moeilijk gebleken dat het bewijs van het effect eerder afkomstig is van indirecte methoden zoals spectroscopie dan van stroom die wordt gegenereerd door een zonnecel. Het gebruik van de indirecte maatregelen heeft ertoe geleid dat een aantal vooraanstaande experts zich afvroegen of de extra elektronen daadwerkelijk worden geproduceerd, hoewel Nozik zegt dat het effect is bevestigd met behulp van meerdere technieken. Nozik en zijn collega's werken nu aan het maken van zonnecellen van silicium nanokristallen - ze onderzoeken een aantal nieuwe ontwerpen - en hij zegt dat ze onlangs directe metingen hebben gedaan die aangeven dat hun cellen meerdere elektronen vrijgeven per geabsorbeerd foton. (Hun resultaten moeten nog worden gepubliceerd.)
Honsberg is voorzichtig optimistisch en noemt de vondst van het meervoudige-elektroneneffect in nanokristallen van silicium een doorbraak, maar er is slechts één doorbraak van misschien drie of vier nodig om goedkope, superefficiënte zonnecellen te produceren.