Quantumsplitsing stap naar betere zonnecellen

 
In standaard zonnecellen van halfgeleiders wordt per inkomend foton één enkel elektron aangeslagen, mits de energie van het inkomend foton groot genoeg is om de zogeheten bandgap (in het Nederlands bandkloof) van de halfgeleider te overbruggen. Het tijdelijk verdreven elektron (en bijbehorend achtergelaten gat) koelen daarna af tot ze een energie hebben die gelijk is aan de bandgap, waarna deze energie naar buiten komt als elektriciteit. De bandgap beperkt het rendement van een zonnecel dus op twee manieren. Fotonen met een lage energie worden niet geabsorbeerd omdat hun energie te klein is om de bandgap te overbruggen, terwijl voor fotonen met een hogere energie veel van de energie verloren gaat in warmte bij het afkoelen van de ladingen. De waarde van de bandgap van de halfgeleider is dus zeer belangrijk voor het rendement. De zogenaamde Shockley-Queisser limiet (SQL) geeft aan dat het maximale rendement gehaald wordt bij een bandgap van 1,1 elektronvolt. In dat geval heerst een optimale balans tussen de verliezen aan de kortgolvige en de langgolvige kant van het zonnespectrum. Dit maximale rendement is ongeveer 30%, wat betekent dat er dus minimaal 70% van de energie uit het inkomende zonlicht verloren gaat.

De bandgap van silicium benadert deze optimale waarde voor het zonnespectrum en zonnecellen zijn daarom bijna allemaal van dat materiaal gemaakt. Daar komt nog bij dat de stand van de technologie van silicium die van andere materialen ver achter zich laat. Er wordt zelfs vaak gezegd dat "als het kan worden gemaakt van silicium, dan zal het worden gemaakt van silicium". Andere technologieën hebben daardoor haast geen kans omdat ze uiteindelijk altijd duurder uitpakken of minder milieuvriendelijk zijn dan het uit zand afkomstige silicium. Een voorbeeld is de zogenaamde tandemzonnecel. Deze is opgebouwd uit verschillende lagen, iedere laag geoptimaliseerd voor een gedeelte van het zonnespectrum. Hoewel het rendement van een dergelijke cel aanzienlijk hoger ligt dan de beste siliciumcellen en zelfs hoger dan de Shockley-Queisser limiet, zijn de kosten hoog en blijven de toepassingen beperkt tot gebieden waar de kosten geen rol spelen, zoals de ruimtevaart.

Quantumsplitsing gerealiseerd
Het zou een behoorlijke verbetering opleveren als de energie van aangeslagen 'hete' elektronen kan worden opgedeeld nog voordat de ladingen afkoelen. Dit is precies wat de groep in het Van der Waals-Zeeman Laboratorium van de Universiteit van Amsterdam heeft bereikt en nog wel in het technologisch meest interessante materiaal, silicium. In speciaal geprepareerde systemen met silicium nanokristallen vonden de onderzoekers het bewijs voor het fenomeen quantumsplitsing, namelijk 'één-foton in, twee fotonen uit', met de uitgaande fotonen van lagere energie dan de inkomende. Bovendien bleken de uitgaande fotonen niet noodzakelijkerwijs afkomstig te zijn van het object dat het inkomende foton absorbeerde. Er vindt in het materiaal dus zowel energiesplitsing als energieoverdracht plaats.

In Nature Photonics beschrijven de onderzoekers hoe ze dit splitsen van energie tot stand hebben gebracht. Ze onderzochten twee verschillende systemen, bestaande uit silicium nanokristallen verspreid in siliciumdioxide. Eén daarvan was gedoteerd met erbiumatomen. Voor beide systemen bepaalden ze de zogenaamde relatieve quantumefficiëntie, de verhouding tussen geabsorbeerde fotonen en uittredende fotonen, bepaald voor verschillende excitatiegolflengtes. In het systeem gedoteerd met erbium absorberen de nanokristallen het binnengekomen licht en exciteren vervolgens met een bepaalde efficiëntie de omliggende erbiumatomen; die zenden daarop licht uit met een golflengte van 1,5 micrometer, wat de onderzoekers detecteerden. De relatieve quantumefficiëntie blijkt constant te zijn voor langere golflengtes, dus lage quantumenergie, tot een bepaalde drempelgolflengte. Voor hogere quantumenergieën (kortere golflengtes) blijkt de efficiëntie omhoog te gaan. Het geëxciteerde nanokristal blijkt twee verschillende erbiumionen te kunnen exciteren. De energie van het geabsorbeerde foton wordt dus gesplitst.

Dit verschijnsel - energieoverdracht naar buiten het nanokristal tijdens het afkoelen van de lading - treedt ook op tussen de silicium nanokristallen zelf, die ook licht uitzenden. In het systeem dat alleen nanokristallen bevatte is de quantumefficiëntie ook bepaald voor verschillende excitatiegolflengtes. Het blijkt dat deze quantumefficiëntie hier ook weer constant is voor excitatie-energieën tot een bepaalde drempelwaarde. Een geabsorbeerd foton in een nanokristal produceert een elektron-gat-paar. Dit kan vervolgens recombineren (het gat vult weer op met een elektron van het oorspronkelijke energieniveau) en daarbij een foton uitzenden ter grootte van de bandgap van het nanokristal. Wanneer de excitatie-energie echter groot genoeg is, minstens meer dan tweemaal de bandgap, kan de extra energie van het aangeslagen elektron gebruikt worden om een tweede, naburig nanokristal te exciteren. Dat wil dus zeggen dat één inkomend foton twee verschillende nanokristallen kan exciteren, die daarna beide een foton uit kunnen zenden. Dit is het echt nieuwe van dit onderzoek.

Opstap naar betere zonnecellen
Het fenomeen, door de onderzoekers SSQC (space separated quantum cutting) genoemd, kan zeer belangrijke consequenties hebben voor fotovoltaïsche zonne-energie. Theoretisch was al voorspeld dat als dit fenomeen zou kunnen worden gerealiseerd, het maximaal haalbare rendement van zonnecellen kan worden verhoogd van 30% naar ongeveer 44%, ofwel bijna 50% meer watt per vierkante meter! Dat zijn behoorlijke toenames en in het licht van de verwachte energieproblemen en de voorspelde klimaatsverandering een serieuze ontwikkeling.

Meer informatie bij drs. Dolf Timmerman, telefoon 020 - 525 56 44 of
prof.dr. Tom Gregorkiewicz,  telefoon 020 - 525 56 43.

Referentie:
Space-separated quantum cutting with Si nanocrystals for photovoltaic applications,
Dolf Timmerman, Ignacio Izeddin, Peter Stallinga, I.N. Yassievich and Tom Gregorkiewicz,
Nature Photonics, February 2008.

Stallinga is tevens verbonden aan de Universiteit van de Algarve in Faro, Portugal en gastonderzoeker met financiële steun van FOM. Yassievich is verbonden aan het A.F. Ioffe Instituut in St. Petersburg, Rusland.