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
Universiteit van Amsterdam