Nieuwe ontwerpen zouden de zonnecellen buiten hun grenzen kunnen stimuleren


De zonnedekens de aarde met genoeg fotonen elk uur om de energiebehoeften van de hele wereld voor een jaar te vervullen. De vraag is hoe je ze efficiënt kunt omzetten in elektriciteit. Zelfs onder kleinschalige laboratoriumomstandigheden zijn 's werelds beste single-junction zonnecellen – de soort die je in de meeste zonnepanelen vindt – nog steeds maximaal om 29% van de energie van de zon te vangen. Dat plaatst hen gewoon voor de harde grens van ongeveer een derde dat zonne-onderzoekers een halve eeuw geleden berekenden. Maar wetenschappers die fotovoltaïsche zonne-energie bestuderen – het proces waarbij zonlicht wordt omgezet in elektriciteit – hebben ook lang vermoed dat deze limiet niet zo hard is als het ooit leek.

Het plafond voor efficiëntie van zonnecellen, ook wel de Shockley-Queisser-limiet genoemd, ligt tussen 29 en 33 procent, afhankelijk van hoe u het meet. Het gaat uit van een single-junction-cel, wat betekent dat hij is gemaakt met slechts één type halfgeleider en wordt geactiveerd door direct zonlicht. Om voorbij de limiet te komen, hebben onderzoekers geprobeerd om meerdere soorten halfgeleiders te stapelen of lenzen te gebruiken om licht te concentreren, zodat de cel honderden stralen krachtiger wordt dan de zon. Eerder dit jaar vestigde het National Renewable Energy Lab een wereldrecord toen het een zes-junctie zonnecel gebruikte en een straal die 143 keer geconcentreerder was dan zonlicht en maar liefst 47,1 procent energie-efficiëntie behaalde.

Maar deze technologie zal nooit op grote schaal worden ingezet. De reden, zegt Marc Baldo, hoogleraar elektrotechniek en computerwetenschappen aan het MIT, is dat deze ultrahoge efficiëntie, meerlagige zonnecellen veel te complex en duur zijn om te produceren als zonnepanelen. Om daadwerkelijk meer zonne-energie op het elektriciteitsnet te krijgen, moet je weten hoe je de Shockley-Queisser-limiet bereikt met single-junction, op silicium gebaseerde zonnecellen, die relatief eenvoudig en goedkoop te produceren zijn. Beter nog zou het vinden van een manier zijn om de limiet hoger te bereiken. En na een decennium van werk hebben Baldo en zijn collega's misschien eindelijk begrepen hoe.

Zoals gedetailleerd beschreven in een paper dat vorige week werd gepubliceerd in Natuur, Baldo's team gecoate zonnecellen in een dunne laag van tetraceen, een organisch molecuul dat inkomende fotonen effectief in twee splitst. Dit proces staat bekend als exciton-splitsing en betekent dat de zonnecel in staat is om hoogenergetische fotonen te gebruiken uit het blauwgroene deel van het zichtbare spectrum.

Dit is hoe het werkt. Siliciumzonnecellen genereren een elektrische stroom door binnenkomende fotonen te gebruiken om elektronen uit het silicium in een circuit te slaan. Hoeveel energie kost dat? Het hangt af van een attribuut van het materiaal dat bekend staat als zijn bandgap. De bandafstand van silicium komt overeen met infraroodfotonen, die minder energie bevatten dan fotonen in het zichtbare deel van het elektromagnetische spectrum. Fotonen buiten de bandgap van silicium gaan praktisch verloren. Maar hier komt het tetraceen binnen: het splitst blauwgroene fotonen op in twee "pakketten" van energie die elk equivalent zijn aan een infraroodfoton. Dus in plaats van dat elk infraroodfoton één elektron loslaat, kan een enkel foton in het blauwgroene spectrum twee elektronen losmaken. Het krijgt in feite twee fotonen voor de prijs van één.

Deze nieuwe cel vertegenwoordigt een fundamenteel nieuwe benadering van een bekende truïsme in het onderzoek naar fotovoltaïsche energie: als je de Shockley-Queisser-limiet wilt halen, moet je energie vangen uit een groter aantal zonnefotonen. Omdat deze cel niet afhankelijk is van een dure stapel materialen met verschillende bandafstanden om het bereik te verbreden, kan het uiteindelijk ook praktischer zijn. Baldo zegt dat het gebruik van tetraceen de theoretische limiet voor energie-efficiëntie kan oplopen tot 35 procent hoger dan ooit werd gedacht voor single-junction-cellen.

Hoewel de toevoeging van tetraceen conceptueel eenvoudig is, was de uitvoering minder. De reden, zegt Baldo, is dat als je het tetraceen direct op het silicium zet, ze op een zodanige manier interacteren dat de elektrische lading wordt gedood. De uitdaging voor Baldo en zijn collega's was het vinden van een materiaal dat tussen de twee materialen kon worden geplaatst om de energiepakketten van het tetraceen naar het silicium te laten stromen. De theoretische literatuur gaf hen weinig begeleiding, zodat het team bezig was met een langdurig proces van vallen en opstaan ​​om het juiste interfacemateriaal te vinden. Dit bleek een laag van hafniumoxynitride van slechts acht atomen dik te zijn.

Maar deze cel heeft nog geen records verslagen. De efficiëntie was ongeveer 6 procent in tests, dus het heeft nog een lange weg te gaan voordat het kan concurreren met bestaande siliciumzonnecellen, laat staan ​​op een dak verschijnen. Maar dit werk was alleen bedoeld als een bewijs van concept van exciton-splitsing in een zonnecel. Om de efficiëntie van de cel te verhogen, zegt Baldo, zal er wat technisch werk nodig zijn om het te optimaliseren voor exciton-splitsing.

In die zin was het MIT-team niet zozeer een concurrerende technologie, maar een nieuwe manier om de grenzen van bestaande fotovoltaïsche cellen te overschrijden, zegt Joseph Berry, een senior wetenschapper van het National Renewable Energy Laboratory. "Wat hier cool is, is dat dit een fundamenteel andere benadering is dan de traditionele fotovoltaïsche technologie," zegt hij. "Het is een idee dat al lang bestaat, maar dat nog niet is vertaald in een functioneel apparaat."

Berry en zijn collega's van NREL onderzoeken andere manieren om de efficiëntie van zonnecellen te bevorderen zonder de extra complexiteit en kosten van multi-junction cellen. Een van de meest veelbelovende richtingen die Berry verkent, zijn perovskietcellen, die synthetische materialen gebruiken met structurele eigenschappen die lijken op het van nature voorkomende minerale Perovskite. De eerste perovskiet-zonnecellen zijn pas tien jaar geleden geproduceerd, maar sindsdien zijn ze getuige van de snelste efficiëntiewinst van elk type zonnecel tot nu toe.

Perovskietcellen hebben een aantal voordelen ten opzichte van traditionele siliciumzonnecellen, zegt Berry, in het bijzonder hun tolerantie voor materiaaldefecten. Slechts een paar ongewenste deeltjes op een siliciumzonnecel kunnen het onbruikbaar maken, maar perovskietmaterialen functioneren nog steeds goed, zelfs als ze niet perfect zijn. Ze verwerken fotonische energie ook efficiënter dan silicium. Een van de belangrijkste redenen waarom silicium de zonneceltechnologie heeft gedomineerd, is niet omdat het het beste materiaal is voor de taak, maar eenvoudig omdat wetenschappers er zoveel van weten vanwege het wijdverspreide gebruik ervan in digitale technologieën.

Tot nu toe heeft geen van deze zonnecellen van de volgende generatie zijn weg gevonden naar commerciële producten. Bijna alle zonnepanelen die momenteel in bedrijf zijn, maken gebruik van traditionele enkellaags siliciumcellen, waarvan is bewezen dat ze de elementen tientallen jaren kunnen weerstaan. Om perovskiet-gebaseerde zonnepanelen in het veld te krijgen, moet worden aangetoond dat ze stabiel zijn en 20 of meer jaar mee kunnen gaan. Berry zegt dat een aantal bedrijven al op kleine schaal perovskietpanelen hebben ingezet, waarvan hij hoopt dat dit de weg vrijmaakt voor een bredere adoptie op de weg.

Kijkend naar de toekomst, zegt Berry dat het denkbaar is dat de exciton-splitsingstechnologie die in ontwikkeling is bij MIT kan worden gecombineerd met perovskiet-zonnecellen om hun efficiëntie te vergroten. "Het is geen of / of een voorstel," zegt Berry, maar eerst moet exciton-splitsing bewijzen dat het efficiënt genoeg is voor toepassingen in de echte wereld. Uiteindelijk zal het krijgen van meer zonlicht op het raster waarschijnlijk een reeks van zonnetechnologieën omvatten, elk met zijn eigen voordelen.


Meer Great WIRED Stories