Onderzoekers doorbreken de klassieke limiet van zonnecellen en bereiken 130% rendement, waardoor meer energie uit zonlicht kan worden gehaald dan ooit mogelijk leek.
De belofte van zonne-energie is al decennia enorm, maar één hardnekkige barrière bleef overeind: een fundamentele natuurkundige limiet die bepaalt hoeveel energie een zonnecel maximaal kan omzetten. Die grens lijkt nu voor het eerst overtuigend doorbroken. Onderzoekers uit Japan en Duitsland rapporteren een systeem dat een kwantumrendement van 130% bereikt—oftewel: meer energiedragers genereren dan er fotonen worden geabsorbeerd.
Volgens de studie, gepubliceerd in het Journal of the American Society, ontwikkelden wetenschappers van Kyushu University en Johannes Gutenberg University Mainz een innovatieve aanpak met een zogeheten ‘spin-flip’-emitter. Daarmee wordt een van de grootste knelpunten in zonneceltechnologie omzeild en komt een langgekoesterde ‘heilige graal’ binnen bereik.
Zonnecellen hebben een hardnekkige grens
Conventionele zonnecellen werken volgens een ogenschijnlijk eenvoudige regel: één foton levert maximaal één elektron. Dit principe ligt aan de basis van de zogeheten Shockley–Queisser-limiet, die het theoretische rendement van klassieke zonnecellen begrenst tot ongeveer 33,7%. In de praktijk ligt dat vaak nog lager, rond de 20–27%, afhankelijk van het type silicium en de kwaliteit van het paneel.
In de praktijk betekent dit dat een groot deel van de zonne-energie verloren gaat. Fotonen met te weinig energie (zoals infrarood licht) doen niets, terwijl fotonen met veel energie (zoals blauw licht) hun overschot verliezen als warmte. Daardoor benutten gangbare zonnecellen slechts een fractie van het beschikbare zonlicht.
Grens doorbreken met ‘singlet fission’
Om die beperking te doorbreken richten onderzoekers zich al jaren op een veelbelovend mechanisme: singlet fission (SF). Dit proces maakt het mogelijk dat één geabsorbeerd foton niet één, maar twee excitonen (energiepakketten) oplevert.
In theorie kan dit het rendement drastisch verhogen. In de praktijk stuitten onderzoekers echter steeds op hetzelfde probleem: FRET (Förster resonance energy transfer) kaapt een groot deel van de extra energie voordat ze de zonnecel kan versterken.
Bouwt voort op eerder werk
Hoewel deze doorbraak fundamenteel is, staat ze niet op zichzelf. Eerder berichtte TW al over onderzoek van de University of New South Wales (UNSW) in Sydney, waar singlet fission werd ingezet als een praktische ‘add-on’ bovenop bestaande siliciumzonnecellen. In dat werk lag de nadruk op directe toepasbaarheid: een extra laag die het rendement van conventionele panelen richting 45 procent kan duwen.
Het cruciale verschil is dat die aanpak nog steeds worstelt met een bekend probleem: de extra opgewekte energie verlaat vaak het systeem voordat onderzoekers deze kunnen benutten. Precies daar zet het nieuwe onderzoek een stap verder. Door gebruik te maken van een zogeheten spin-flip emitter slagen de onderzoekers er nu wél in om die vermenigvuldigde excitonen selectief te oogsten. Daarmee verschuift singlet fission van een veelbelovend concept naar een mechanisme dat daadwerkelijk boven de klassieke efficiëntiegrens kan uitstijgen.
De doorbraak
De doorbraak zit in een slim ontworpen molecuul: een molybdeen-gebaseerd metaalcomplex dat fungeert als een ‘spin-flip’ emitter. Dit materiaal kan de spin van een elektron veranderen tijdens absorptie of emissie van licht. Zo sluit het perfect aan op de energie van de triplet-excitonen die bij singlet fission ontstaan.
Door deze spin-afstemming werkt het complex als een selectieve ‘vanger’ van de extra energie. Tegelijkertijd wordt het verlies via FRET effectief onderdrukt. Het resultaat: de vermenigvuldigde energie kan daadwerkelijk worden benut.
In combinatie met tetraceen-gebaseerde materialen behaalde het team een kwantumrendement van ongeveer 130%. Dat betekent dat per geabsorbeerd foton gemiddeld 1,3 energiedragers worden gegenereerd—een duidelijke doorbraak ten opzichte van de klassieke limiet van 100%.
Waarom dit zo’n grote stap is
Hoewel het resultaat voorlopig nog in een oplossing (vloeibare fase) is bereikt, is de implicatie groot. Het experiment bewijst dat het mogelijk is om de ‘één-op-één’-regel van zonnecellen te doorbreken.
Belangrijker nog: de theoretische bovengrens ligt zelfs rond de 200%. Dat opent de deur naar zonnecellen die significant efficiënter zijn dan alles wat vandaag commercieel beschikbaar is. Daarnaast biedt deze aanpak nog een voordeel: minder energieverlies in de vorm van warmte. Dat maakt het systeem niet alleen efficiënter, maar potentieel ook duurzamer en stabieler.
Praktijktoepassing is “niet onmogelijk”
De grootste uitdaging ligt nu in de vertaling naar vaste materialen (solid-state systemen), zoals die in echte zonnepanelen worden gebruikt. Het integreren van deze moleculaire ‘energievermenigvuldigers’ in praktische apparaten is complex, maar niet onmogelijk.
Als dat lukt, kan dit leiden tot zonnepanelen met veel hogere opbrengst, efficiëntere leds en opto-elektronische systemen en nieuwe toepassingen in quantumtechnologie.
De internationale samenwerking speelde daarbij een cruciale rol. Een uitwisselingsstudent uit Mainz bracht kennis over specifieke materialen naar Japan, wat uiteindelijk leidde tot deze doorbraak—een mooi voorbeeld van hoe fundamenteel onderzoek en internationale samenwerking elkaar versterken.
‘Fysische limiet’ minder absoluut dan gedacht
Zonne-energie is een van de pijlers onder de energietransitie, maar efficiëntie blijft een bottleneck. Elke procent winst vertaalt zich direct naar minder benodigde ruimte, lagere kosten en snellere opschaling.
Als deze technologie de stap naar de praktijk maakt, kan dat de adoptie van zonne-energie aanzienlijk versnellen. Meer stroom uit dezelfde hoeveelheid zonlicht betekent simpelweg: sneller af van fossiele brandstoffen. De ‘fysische limiet’ van zonnecellen blijkt dus minder absoluut dan gedacht. En dat kan wel eens het begin zijn van een nieuw tijdperk in zonne-energie.
