Zijn quantum dots 'hot' genoeg voor betere zonnecellen?
Bestaande zonnecellen zijn niet erg efficiënt. Onderzoekers speuren daarom naar mogelijkheden om de efficiëntie te verbeteren. In het kader van het Joint Solar Programme, een gezamenlijk onderzoekprogramma van de Stichting FOM, de Stichting Shell Research en het Gebied Chemische Wetenschappen van NWO, hebben onderzoekers van FOM, de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit Utrecht onderzocht of nanokristallen zoals lang gedacht zonnecellen efficiënter kunnen maken. Hoewel het directe antwoord 'nee' is, wijzen hun onderzoeksresultaten wel de weg naar materialen om toch betere cellen te kunnen ontwikkelen. De onderzoekers publiceren hun resultaten in de Physical Review Letters van 7 februari 2006.
Als licht op een halfgeleider silicium zonnecel valt, worden elektrische ladingen vrijgemaakt, en op die manier kan zonlicht in elektrische energie worden omgezet. De bruikbare energie van zo'n fotolading wordt echter beperkt doordat de ladingen heel snel een deel van hun energie weer kwijtraken (afkoelen). Lange tijd is gedacht dat in nanokristallen ('quantum dots') van halfgeleiders dat afkoelen langzaam zou gaan, en dat met nanokristallen zonnecellen efficiënter gemaakt zouden kunnen worden. Onderzoekers van het FOM-Instituut voor Atoom- en Molecuulfysica (AMOLF) in Amsterdam hebben nu in samenwerking met onderzoekers van de Universiteit van Amsterdam en de Universiteit Utrecht laten zien dat ook in nanokristallen het koelen heel snel plaatsvindt, maar op een heel andere manier dan in het bulk materiaal. De resultaten bieden aanknopingspunten voor het kiezen van de juiste materialen voor een nieuwe generatie zonnecellen. De uiteindelijke energie van een lading die door licht in een halfgeleider zoals silicium wordt vrijgemaakt, wordt bepaald door de eigenschappen van het silicium. Ook al is de energie van het opgevangen lichtdeeltje heel groot, het elektron kan nooit meer energie leveren dan de zogenaamde band-gap van het silicium (zie figuur 1). De rest van de energie gaat heel snel verloren in de productie van warmte. De hete elektronen koelen dus snel af en leveren geen bijdrage meer aan de elektrische productie van de zonnecel. Het gevolg is dat de efficiëntie van zonnecellen sterk beperkt is. Hier ligt dus een uitdaging voor een nieuwe generatie zonnecellen.
Een voor de hand liggende manier om de efficiëntie van zonnecellen te verhogen, is om de warmte die opgeslagen ligt in de hete elektronen ook te benutten. Hete elektronen in silicium raken hun extra warmte snel kwijt aan het bulk silicium in de omgeving, omdat dit materiaal al die extra energie gemakkelijk opneemt in kleine stapjes. Voor heel kleine deeltjes geldt dit echter niet. In zogenaamde quantum dots, deeltjes van een paar nanometer groot, kunnen de elektronen alleen bepaalde hoeveelheden energie opnemen en weer afgeven. De verwachting was dat het afkoelen van elektronen daardoor veel langzamer zou gaan, omdat het dan niet meer in kleine stapjes kan gebeuren, Dit zou het mogelijk maken de extra energie in de hete elektronen te redden voordat deze verloren gaat als warmte.
Onderzoekers in het FOM-Instituut AMOLF laten echter zien dat de elektronen in nanokristallijne quantum dots van cadmiumselenide (een sterk op silicium lijkend materiaal) een andere manier vinden om snel af te koelen. Door zijn extra energie snel over te dragen aan een gat - zijn positief geladen tegenpool - kan een elektron soms zelfs sneller afkoelen dan in het bulk materiaal. Het gat kan vervolgens deze overtollige energie heel gemakkelijk kwijtraken. De reden voor de efficiënte energieoverdracht tussen het elektron en het gat is dat ze samen opgesloten zitten in de quantum dot en dus een sterke wisselwerking met elkaar kunnen hebben. De uitdaging is nu om nieuwe materialen te vinden waarin deze wisselwerking tussen elektron en gat minimaal is. Zo moeten elektronen in quantum dots 'heet' gehouden kunnen worden voor zonneceltoepassingen.
Direct observation of electron-to-hole energy transfer in CdSe quantum dots,
E. Hendry, M. Koeberg, F. Wang, H. Zhang, C. De Mello Donegá, D. Vanmaekelbergh & M. Bonn,
Phys. Rev. Lett. issue of Feb. 3 (2006).
Meer informatie bij prof.dr. Mischa Bonn, AMOLF, telefoon 06 144 768 96 of bij dr. Euan Hendry, telefoon: (020) 608 12 34.