Universiteit van Amsterdam

Gepubliceerd op 22 januari 2008

Quantumsplitsing door UvA-onderzoekers vormt opstap naar betere zonnecellen

Gepubliceerd op 22 januari 2008
V.l.n.r.: Peter Stallinga, Dolf Timmerman, Tom Gregorkiewicz en Ignacio Izeddin

Onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en de Stichting FOM zijn er in geslaagd om hoogenergetische fotonen (of lichtdeeltjes) te splitsen in fotonen van lagere energie. Ze demonstreerden dit verschijnsel in systemen met silicium nanokristallen. Het splitsen van fotonen kan een manier zijn om het rendement van zonnecellen aanzienlijk te verhogen en lichtbronnen efficiënter en dus zuiniger te maken. De onderzoekers (Tom Gregorkiewicz, Ignacio Izeddin, Peter Stallinga en Dolf Timmerman)publiceren hun bevindingen in Nature Photonics van februari 2008. Het artikel is 20 januari online gegaan.

In standaard zonnecellen van halfgeleiders wordt per inkomend foton één enkel elektron aangeslagen, mits de energie van het inkomend foton groot genoeg is om de zogeheten bandgap (in het Nederlands bandkloof) van de halfgeleider te overbruggen. Het tijdelijk verdreven elektron en bijbehorend achtergelaten gat koelen daarna af tot ze een energie hebben die gelijk is aan de bandgap, waarna deze energie naar buiten komt als elektriciteit. De bandgap beperkt het rendement van een zonnecel dus op twee manieren. Fotonen met een lage energie worden niet geabsorbeerd omdat hun energie te klein is om de bandgap te overbruggen, terwijl voor fotonen met een hogere energie veel van de energie verloren gaat in warmte bij het afkoelen van de ladingen. De waarde van de bandgap van de halfgeleider is dus zeer belangrijk voor het rendement. De zogeheten Schockley-Queisser Limiet (SQL) geeft aan dat het maximale rendement gehaald wordt bij een bandgap van 1,1 elektronvolt. In dat geval heerst een optimale balans tussen de verliezen aan de kortgolvige en de langgolvige kant van het zonnespectrum. Dit maximale rendement is ongeveer 30%, wat betekent dat er dus minimaal 70% van de energie uit het inkomende zonlicht verloren gaat.

De bandgap van silicium als halfgeleider benadert deze optimale waarde voor het zonnespectrum en zonnecellen zijn daarom bijna allemaal van dat materiaal gemaakt. Daar komt nog bij dat de stand van de technologie van silicium die van andere materialen ver achter zich laat.

Quantumsplitsing gerealiseerd

Het levert een behoorlijke verbetering op als de energie van aangeslagen `hete' elektronen kan worden opgedeeld nog voordat de ladingen afkoelen. Dit is precies wat de groep van prof. dr. Tom Gregorkiewicz van het Van der Waals-Zeeman Instituut van de Universiteit van Amsterdam heeft bereikt en nog wel in het technologisch meest interessante materiaal, silicium. In speciaal geprepareerde systemen met silicium nanokristallen vonden de onderzoekers het bewijs voor het fenomeen quantumsplitsing, namelijk 'één-foton in, twee fotonen uit', met de uitgaande fotonen van lagere energie dan de inkomende. Bovendien bleken de uitgaande fotonen niet noodzakelijkerwijs afkomstig te zijn van het object dat het inkomende foton absorbeerde. Er vindt in het materiaal dus zowel energiesplitsing als energieoverdracht plaats.

In Nature Photonics beschrijven de onderzoekers hoe ze dit splitsen van energie tot stand hebben gebracht.

Lees hier over meer op de site van FOM.

Verwijzingen

Volledige persbericht op website FOM

Opstap naar betere zonnecellen

Het fenomeen, door de onderzoekers SSQC (space separated quantum cutting) genoemd, kan zeer belangrijke consequenties hebben voor fotovoltaïsche zonne-energie. Theoretisch was al voorspeld dat als dit fenomeen zou kunnen worden gerealiseerd, het maximaal haalbare rendement van zonnecellen kan worden verhoogd van 30% naar ongeveer 44%, ofwel bijna 50% meer watt per vierkante meter. Dat zijn behoorlijke toenames en in het licht van de verwachte energieproblemen en de voorspelde klimaatsverandering een serieuze ontwikkeling.

Verwijzingen

prof. dr. T. Gregorkiewicz
Bron: Afdeling Communicatie