Zonnecel kan licht recyclen voor meer efficiëntie
Zonnecellen gemaakt van het materiaal perovskiet kunnen lichtdeeltjes, zogenaamde fotonen, recyclen – deze ontdekking is belangrijk voor de nieuwe generatie betaalbare zonnecellen met een hoog rendement.
Samen met onderzoekers uit het Verenigd Koninkrijk, heeft AMOLF-groepsleider Bruno Ehrler een veelbelovende groep materialen bestudeerd die bekend staan als hybride lood-halide perovskieten. Zonnecellen gemaakt van dit materiaal kunnen licht recyclen. Het onderzoek bouwt voort op een bestaande samenwerking over het gebruik van dit materiaal, niet alleen in zonnecellen, maar ook in ledlampen, en is uitgevoerd door een internationaal team onder leiding van de groep van Richard Friend van de University of Cambridge.
Perovskiet zonnecellen
Hybride loodhalide perovskieten zijn een bijzondere en veelbelovende groep synthetische materialen waar intensief onderzoek naar wordt gedaan. Perovskiet zonnecellen zijn niet alleen goedkoop en makkelijk te produceren, maar zijn binnen een tijdsbestek van een paar jaar bijna net zo efficiënt geworden als silicium – het materiaal waarvan op het moment de meeste zonnepanelen voor huishoudelijk gebruik gemaakt worden.
Foton-recycling
Volgens het nieuwe onderzoek zou dit nog maar het begin zijn. Het principe van een zonnecel is de absorptie van fotonen uit zonlicht, waardoor elektrische ladingen ontstaan. Maar het proces werkt ook omgekeerd, want wanneer elektrische ladingen recombineren kan er weer een foton ontstaan. Uit het onderzoek blijkt dat perovskietcellen een extra eigenschap hebben, waarmee ze deze gegenereerde fotonen opnieuw kunnen absorberen. Dit proces staat bekend als 'foton-recycling'. Hierdoor ontstaat een concentratie-effect binnenin de cel, alsof er een lens gebruikt is om een heleboel licht op één plek richten. Volgens de onderzoekers kan dit vermogen om fotonen te recyclen relatief gemakkelijk gebruikt worden om zonnecellen te maken die de grenzen van de energie-efficiëntie van zonnepanelen kunnen verleggen.
Infrarood licht laat het effect zien
In de Science-publicatie beschrijven de onderzoekers hoe zij met een laser licht schenen op het 500 nanometer dikke materiaal loodjodide-perovskiet. Perovskieten zenden licht uit wanneer ze hiermee in aanraking komen, dus het team kon zo de fotonenactiviteit binnen in het materiaal meten op basis van het uitgezonden licht. Vlakbij de plaats waar het laserlicht op de film scheen, namen de onderzoekers nabij-infrarood licht waar. Opvallend genoeg was er ook een emissie van dit licht op een verder gelegen punt, samen met een tweede emissie die bestond uit fotonen met een lagere energie. De lagere energiecomponent zorgt ervoor dat ladingen over een grotere afstand getransporteerd kunnen worden (wat deze laatste emissie verklaart), maar de hogere energiecomponent kon uitsluitend bestaan wanneer fotonen gerecycled werden. Door het effect wordt een grote hoeveelheid ladingen op een erg klein gebied geconcentreerd. Deze ladingen ontstaan door het combineren van invallende fotonen met fotonen die binnenin het materiaal zelf gemaakt worden, en dat is wat de energie-efficiëntie vergroot.
Als deel van het onderzoek heeft de eerste auteur, Pazos Outón (University of Cambridge), ook het eerste demonstratiemodel gemaakt van een zonnecel op basis van perovskiet met selectieve contacten aan de achterkant. Deze cel bleek in staat om een elektrische stroom meer dan 50 micrometer van het contactpunt van de laser weg te transporteren; een afstand die veel groter is dan de onderzoekers hadden voorspeld en een direct resultaat van meerdere foton-recycling activiteiten binnenin het model. "We stonden in eerste instantie versteld van deze verbazingwekkende grote afstand, die alleen verklaard kon worden door het foton-recycling effect", vertelt Bruno Ehrler van AMOLF.
Perovskiet versus silicium
Zonnecellen op basis van perovskiet zijn in 2012 voor het eerst getest en waren zo succesvol dat Science Magazine ze in 2013 uitriep als een van de doorbraken van het jaar. Sindsdien hebben onderzoekers snelle vooruitgang geboekt in het vergroten van de efficiëntie waarmee deze cellen licht omzetten in elektrische energie. In recente experimenten bleek een energie-omzettingsefficiëntie van rond de twintig procent gehaald te worden – dat is al vergelijkbaar met die van siliciumcellen. Het aantonen van foton recycling door perovskiet zonnecellen rechtvaardigt het enorme enthousiasme waarmee deze perovskiet cellen in 2012 ontvangen werden, en biedt perspectief op toekomstige efficiëntie-sprongen.
Referentie
Photon recycling in lead iodide perovskite solar cells, Science Vol. 351, issue 6280, pp. 1430-1433, DOI: 10.1126/science.aaf1168