Het verhogen van de limiet voor het rendement van zonnecellen

Een sterk opkomende technologie voor de productie van hernieuwbare energie is die van zonne-energie. De zonnepanelen hebben een gigantisch groot potentieel op het gebied van inzetbaarheid want nagenoeg overal ter wereld schijnt de zon wel eens. Bij een zonnepaneel vindt er zich een merkwaardig fenomeen plaats die ervoor zorgt dat de energie van het zonlicht wordt omgezet in elektrische energie. Zonlicht op zich is elektromagnetische straling. Elektromagnetische straling is de voortplanting door de ruimte van elektrische en magnetische oscillaties of trillingen. Het woord "elektromagnetisch" weerspiegelt het verschijnsel dat elektrische velden en magnetische velden, als ze in de tijd veranderen, altijd samen optreden. Een wisselend elektrisch veld gaat altijd gepaard met een wisselend magnetisch veld, en omgekeerd. Maar elektromagnetische stralingen worden niet alleen voorgesteld aan de hand van elektrische en magnetische velden maar ook nog via een andere verschijningsvorm. Deze andere verschijningsvorm zijn fotonen. Deze verschijningsvorm maakt gebruikt van een andere voorstelling voor een straling, hierbij wordt een straling voorgesteld als een stroom van massaloze deeltjes, namelijk deze fotonen. Dus ook licht bestaat uit fotonen.

Het was Christiaan Huygens, een Nederlandse wetenschapper, die in de 17e eeuw voor het eerst beweerde dat het licht een golfverschijnsel is. Deze bewering deed hij aan de hand van waargenomen verschijnselen zoals bijvoorbeeld interferentie en buiging van licht. Maar later werd zijn bewering tegengesproken door een andere belangrijke wetenschapper, namelijk Isaac Newton. Hij beweerde dat licht voorgesteld moet worden als een snelle stroom deeltjes. In die tijd leidde deze onenigheid tot felle discussies tussen deze twee wetenschappers. En aanvankelijk kreeg de golftheorie het voordeel van de twijfel.

In de tweede helft van de 19e eeuw werd het dan duidelijk dat licht een elektromagnetisch verschijnsel is binnen een specifiek golflengtegebied. Deze duidelijkheid kwam er langs de ene kant door het experimentele werk van Hertz, en langs de andere kant door het theoretische werk van Lorentz. Zij slaagden erin om het gedrag van licht te verklaren door het oplossen van de Maxwellvergelijkingen. De Maxwellvergelijkingen zijn vier natuurkundige wetten van het elektromagnetisme en vormen de basis voor alle elektromagnetische verschijnselen. Met de opkomst van de kwantummechanica in het begin van de 20e eeuw werd er toch nog een discontinu karakter van het licht vastgesteld. Deze vaststelling zorgde voor de ontwikkeling van de kwantumelektrodynamica die alle interacties tussen geladen deeltjes onder uitwisseling van fotonen volledig en met zeer grote nauwkeurigheid beschrijft en voorspelt. Het is een synthese van de relativistische versie van de Maxwellvergelijkingen met de kwantummechanica. Dit zo ongeveer de geschiedenis van deze twee voorstellingsvormen voor elektromagnetische stralingen. Uiteindelijk blijkt dus dat een elektromagnetische straling op twee verschillende manier kan voorgesteld worden, namelijk als een golfverschijnsel en als een snelle stroom deeltjes.

Voor de werking van een zonnepaneel is de voorstellingswijze als een snelle stroom deeltjes de belangrijkste. Deze deeltjes in deze stroom worden dus fotonen genoemd en bewegen zich voort met de lichtsnelheid. Elke foton bevat een bepaalde hoeveelheid energie, hoeveel energie juist is afhankelijk van de frequentie van de elektromagnetische straling. Het vermogen van een straling wordt dan ook bepaald door het aantal fotonen per seconde maal de energie-inhoud van de fotonen. Door deze definitie is het dus voor de hand liggend dat de voorstellingswijze met de fotonen het belangrijkst is bij de werking van zonnepanelen. Want wanneer licht invalt op het oppervlak van een zonnepaneel, dan valt er dus een elektromagnetisch straling in. Deze elektromagnetische straling bestaat dus uit fotonen die een bepaalde hoeveelheid energie bevatten. Wanneer deze fotonen invallen op het materiaal van het zonnepaneel, dan gaan deze botsen met de deeltjes van het materiaal van het zonnepaneel. De deeltjes van het materiaal zijn onder andere ook elektronen, elektronen zijn subatomaire deeltjes, die rondom de kern van een atoom cirkelen. Wanneer een foton botst met een elektron, dan kan het gebeuren dat het elektron uit deze cirkelbaan wordt gestoten. Dit gebeurt enkel wanneer het foton meer energie bevat dan dat er nodig is om een elektron uit deze cirkelvormige baan te duwen. En wanneer het elektron uit deze cirkelvormige baan gestoten wordt, dan kan het elektron verder vrij bewegen door het materiaal en zo verkrijgt men een elektrische stroom.

Niet bij alle materialen kan dit verschijnsel optreden, namelijk enkel bij een speciale groep materialen is de hoeveelheid energie die nodig is om een elektron uit zijn cirkelvormige baan te stoten ongeveer even groot als de energie-inhoud van de fotonen in zonlicht. Deze groep materialen worden de halfgeleidermaterialen genoemd. Fotovoltaïsche cellen zijn dan ook vervaardigd uit materialen van deze soort. In een fotovoltaïsche cel worden ook twee verschillende soorten halfgeleidermaterialen gebruikt. Dit is nodig om er voor te zorgen dat de elektrische stroom die ontstaat maar in één richting kan stromen. Dit maakt het mogelijk om twee geleiders aan deze zonnecel vast te maken waarmee die elektrische stroom kan 'afgetapt' worden. Bij deze zonnecellen is het dus uiteraard de bedoeling dat er met de elektromagnetische straling van het zonlicht te werken. Zonlicht bestaat niet uit één soort elektromagnetische straling maar uit een hele reeks, ook wel het spectrum genoemd. Het zonnespectrum bevat elektromagnetische stralingen waarvan de golflengte licht tussen de 250 tot 25000 nanometer. In dit spectrum bevinden zich dan nog eens drie verschillende soorten stralingen, namelijk UV licht, zichtbaar licht, infrarood licht.

Onderzoekers hebben er de afgelopen jaren voor gezorgd dat de hoeveelheid elektriciteit die een zonnecel kan opwekken gestaag is toegenomen. Maar door de natuurkundige wetten zijn er fundamentele limieten voor de omzetting van de invallende fotonen in bewegende elektronen in het halfgeleidermateriaal. Deze limiet ontstaat door een bepaald soort halfgeleidermateriaal slechts in staat is om een foton om te zetten in een vrij elektron met een bepaalde hoeveelheid energie. Hoe groot de hoeveelheid energie die het foton bevat ook mag zijn, de energie-inhoud van het vrijgekomen elektron is steeds even groot. De overige energie die het foton bevatte gaat verloren onder de vorm van thermische energie of dus warmte. Maar nu hebben wetenschapper van de University of Wyoming aangetoond dat het mogelijk is om deze limieten te verleggen. Dit door gebruik te maken van een nieuw soort halfgeleidermateriaal, namelijk dit soort halfgeleidermateriaal is een nanomateriaal met de naam 'quantum dot'. Een quatum dot is een halfgeleidermateriaal waar de vrijgekomen elektronen niet in twee maar in drie dimensie kunnen bewegen. De wetenschappers namen de hypothese aan dat deze halfgeleidermaterialen, door hun unieke elektrische eigenschappen, een groter deel van de energie die het invallend foton om te zetten in elektrische energie, in plaats van dat deze energie verloren gaat als warmte. De wetenschappers berekenden dat er met de helft meer elektrische energie kan opgewekt worden op deze manier.

Maar in het begin, moesten de wetenschappers eerst testen uitvoeren om te kijken of hun hypothese wel klopt met de werkelijkheid. De eerste testen over deze hypothese waren bemoedigend maar nog niet eenduidig. De onderzoekers slaagden er niet in de extra elektrische energie op te meten. Dit namelijk doordat de extra elektronen die vrijkomen in het materiaal, niet lang genoeg leven om uit het materiaal te stromen en in het uitwendig circuit. Maar door aanpassingen aan te brengen aan de samenstelling van het oppervlakte van het quatum dots materiaal, slaagde men er toch in om deze extra elektronen naar een extern circuit te geleiden. Zo kon men dan toch deze extra elektrische energie gaan opmeten. En zo slaagde men er ook in om aan te tonen dat het hypothese ook klopt met de werkelijkheid, namelijk dat quatum dots een efficiënter materiaal zijn voor de werking van een zonnecel. Hoeveel deze extra energie juist bedraagt is afhankelijk van de golflengte van het zonlicht.

Maar ook met dit onderzoek slaagt men er nog niet in om dit verschijnsel te verstaan en dit zorgt dus dat ze kennis te kort schieten om echt super efficiënte zonnecel te ontwikkelen. Het is wel een stap dichter. Momenteel is hiervoor nog een tweede deel aan het onderzoek toegevoegd, namelijk met gaat andere soorten quatum dots materialen gebruiken en kijken of deze al dan niet efficiënter elektriciteit gaan opwekken. Voor deze eerste stap van het onderzoek maakte de wetenschappers gebruik van een quatum dots materiaal op basis van lood sulfide. En andere mogelijkheid die de onderzoekers gaan onderzoeken is, hoe ze ervoor kunnen zorgen dat het materiaal een grotere hoeveelheid licht gaan absorberen. Bij deze experimentele proeven werd er maar een beperkte hoeveelheid licht geabsorbeerd. De laag materiaal van de zonnecel was zo dun, dat er bepaald deel van de lichtstralen er dwars door straalden. Een andere methode om meer licht te gaan absorberen is door een laag van het quatum dots materiaal aan te brengen op een poreus materiaal met een hoog specifiek oppervlak. Wanneer het licht in de holtes van het poreus materiaal straalt, is er meer kans dat het geasbsorbeerd wordt door het quatum dots materiaal.

Er is dus veel werkt voordat deze technologie op commerciële schaal gebruikt kan worden. Maar tot nu toe ziet quatum dots materiaal een zeer geschikte kandidaat voor super efficiënte zonnecellen.

Geschreven door Emile Glorieux, Bron [technologyreview]