Een groot deel van de energie uit zonlicht gaat in zonnecellen verloren als warmte. Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen hebben ontdekt hoe die energie veel langer kan worden vastgehouden. Dat kan uiteindelijk zonnepanelen mogelijk maken die voorbij de klassieke rendementsgrens van ongeveer 33 procent gaan.
Zonnepanelen worden steeds efficiënter, maar de natuurkunde stelt grenzen aan hoeveel zonlicht een conventionele zonnecel kan omzetten in elektriciteit. Onderzoekers proberen die limiet al jaren te omzeilen. Een veelbelovende kandidaat daarvoor is het ‘hete elektron’: een elektron met overtollige energie die normaal vrijwel onmiddellijk verloren gaat.
Het onderzoek werd gepubliceerd in ACS Energy Letters.
Kostbare energie verdwijnt als warmte
Wanneer zonlicht op een zonnecel valt, dragen fotonen hun energie over aan elektronen. Daardoor kunnen elektronen worden vrijgemaakt en ontstaat elektrische spanning. Sommige fotonen bevatten echter meer energie dan daarvoor nodig is.
Die extra energie komt terecht bij zogenoemde hete elektronen. In theorie zou een zonnecel deze energie kunnen gebruiken om een hogere spanning te produceren. In de praktijk koelen de elektronen binnen enkele picoseconden af. Hun overtollige energie verandert daardoor in warmte voordat ze kan worden benut.
Bij experimenten met tin-gebaseerd perovskiet ontdekte RUG-hoogleraar Maria Antonietta Loi echter dat dit proces veel trager kan verlopen. De hete elektronen behielden hun energie tot in het nanosecondengebied, ongeveer duizend keer langer dan gebruikelijk.
Waarom blijven de elektronen langer heet?
Die metingen waren zo opmerkelijk dat aanvankelijk zelfs twijfel ontstond over de verklaring. Hoogleraar Jan Anton Koster en promovendus Tim Faber gebruikten daarom simulaties om te achterhalen wat er in het materiaal gebeurt.
Daaruit blijkt dat twee mechanismen samenwerken. Het eerste is de hot phonon bottleneck. Warmte die elektronen afgeven, blijft tijdelijk in het kristalrooster aanwezig en kan opnieuw door de elektronen worden opgenomen. Daardoor koelen ze langzamer af.
Een tweede effect versterkt dit proces. Hete elektronen verliezen normaal stapsgewijs energie door naar lagere energietoestanden te gaan. Wanneer die toestanden al bezet zijn, wordt die weg geblokkeerd. Dit zogeheten band filling, gerelateerd aan het Burstein-Moss-effect, vertraagt de afkoeling verder.
Voorbij de grens van 33 procent
Juist die extra nanoseconden kunnen belangrijk zijn. Ze creëren een groter tijdvenster waarin de overtollige energie van hete elektronen kan worden afgevangen voordat ze als warmte verdwijnt.
Dat biedt perspectief voor zogenoemde hot-carrier solar cells. Zulke zonnecellen zouden niet alleen elektrische lading verzamelen, maar ook een deel van de overtollige energie van hete elektronen benutten. Daarmee kunnen ze in theorie voorbij de klassieke rendementsgrens van circa 33 procent voor conventionele enkelvoudige zonnecellen.
Zover is het nog niet. De volgende uitdaging is om de hete elektronen snel en selectief uit het materiaal te halen en hun extra energie daadwerkelijk om te zetten in elektriciteit. Het onderzoek laat vooral zien dat een van de belangrijkste obstakels daarvoor minder onoverkomelijk is dan gedacht.
