Zonnecellen moeten zoveel mogelijk zonlicht absorberen. Maar minstens zo belangrijk is hoe ze zelf licht uitstralen. Onderzoekers in Barcelona hebben een manier gevonden om dat laatste te beperken, waardoor zonnecellen efficiënter worden. De techniek biedt zelfs uitzicht op rendementen tot 43 procent, ruim boven de klassieke theoretische grens.
Onderzoekers van het Institute of Photonic Sciences (ICFO) hebben een nieuwe methode ontwikkeld om energieverliezen in zonnecellen terug te dringen. Hun ontdekking werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Energy & Environmental Science en draait om een verrassend principe: een zonnecel kan meer elektriciteit produceren wanneer hij licht in minder richtingen uitstraalt.
Zonnecellen verliezen energie door lichtuitstraling
Bij zonnecellen denken we vooral aan het opvangen van zonlicht. Toch zenden zonnecellen zelf ook fotonen uit. Dat is geen fabricagefout, maar een fundamentele eigenschap van materialen die licht absorberen.
Daarbij ontstaat een probleem. Zonlicht bereikt een zonnecel vanuit een relatief kleine hoek, omdat de zon slechts een klein deel van de hemel beslaat. De zonnecel straalt daarentegen licht uit in vrijwel alle richtingen.
Dit verschil veroorzaakt zogeheten Boltzmann-verliezen. Die verminderen de elektrische spanning die een zonnecel kan leveren en daarmee het uiteindelijke rendement.
Zilver helpt om meer energie vast te houden
Het onderzoeksteam onder leiding van professor Jordi Martorell ontwikkelde een oplossing met een optische resonator. De wetenschappers gebruikten een organische zonnecel op basis van de materiaalmix PM6:Y6. Door zilveren elektroden aan weerszijden te combineren met zorgvuldig ontworpen dunne lagen, creëerden ze een optische holte.
Deze structuur onderdrukt de uitstraling van fotonen onder grote hoeken, terwijl invallend zonlicht vanuit de gewenste richting grotendeels wordt doorgelaten.
Het resultaat is een zonnecel die selectiever licht uitzendt en daardoor minder energie verliest. De onderzoekers hebben experimenteel aangetoond dat deze aanpak het omzettingsrendement kan verhogen.
Theoretische limiet op losse schroeven
De ontdekking is interessant vanwege de bekende Shockley-Queisser-limiet. Die stelt het maximale rendement van een conventionele zonnecel met één pn-overgang onder standaardaannames op ongeveer 33,16 procent. Door de lichtuitstraling sterk te beperken, kan dat theoretische maximum volgens de onderzoekers opschuiven richting 43 procent.
Dat betekent nadrukkelijk niet dat het team al een zonnecel met 43 procent rendement heeft gebouwd. Voorlopig is vooral het onderliggende werkingsprincipe aangetoond.
Wat dit betekent voor toekomstige zonnepanelen
Een belangrijke uitdaging is dat zonnepanelen in de praktijk niet uitsluitend direct zonlicht ontvangen. Ook diffuus licht uit verschillende richtingen draagt bij aan de opbrengst. Een te sterke hoekselectiviteit kan daardoor juist nadelig uitpakken, vooral bij bewolking of zonder zonvolgsysteem.
Ook moeten de optische lagen langdurig stabiel blijven en moeten eventuele extra materiaalverliezen beperkt worden.
Toch biedt het onderzoek een interessante nieuwe ontwerpstrategie. Het principe is namelijk niet beperkt tot organische zonnecellen en zou ook toepasbaar kunnen zijn op andere fotovoltaïsche technologieën.
Als die vertaalslag lukt, kunnen toekomstige zonnepanelen meer elektriciteit opwekken met hetzelfde oppervlak, zonder dat daarvoor noodzakelijkerwijs compleet nieuwe absorbermaterialen nodig zijn.
