Stabiele verbetering van zonnecellen

De singlet-splijting fotonenvermenigvuldiger zet hoog-energetische fotonen om in twee laag-energetische die door een zonnecel efficiënt in elektrische energie kunnen worden omgezet. Zonder singlet-splijting zou het hoog-energetische licht een groot deel van zijn energie verliezen aan warmte. Credits illustratie: Henk-Jan Boluijt.

Aangezien zonnecellen op basis van silicium hun rendementslimiet bijna hebben bereikt, zoeken wetenschappers wereldwijd naar alternatieve technologieën om het rendement van zonnecellen verder te verbeteren. Natuurkundigen van AMOLF en de Universiteit van Cambridge hebben met theoretische modellen een vergelijking gemaakt van twee veelbelovende technologieën: foton-vermenigvuldiging via singlet-splijting en tandem zonnecellen. Hoewel deze technologieën potentieel nagenoeg evenveel rendementsverbetering opleveren, blijkt singlet-splijting stabieler bij variaties in de weersomstandigheden. Daarnaast zijn voor singlet-splijting geen aanpassingen aan de siliciumtechnologie nodig, waardoor het zelfs kan worden gebruikt om bestaande zonnecellen te verbeteren. De laatste twintig jaar is het rendement van de beste in het laboratorium gemaakte silicium zonnecellen niet meer dan twee procent verbeterd en het zal erg moeilijk zijn om de technologie nog verder te optimaliseren. De belangrijkste reden daarvoor is dat conventionele zonnecellen een groot deel van het zonlicht niet kunnen gebruiken. Fotonen met een hoge energie uit het blauwe deel van het spectrum worden niet efficiënt omgezet maar genereren ongewenste warmte in de zonnecel. Op AMOLF bestudeert de Hybrid Solar Cells groep van Bruno Ehrler de eigenschapen van organische halfgeleiders met als doel de beperkingen van anorganische (silicium) zonnecellen te omzeilen. Singlet-splijting is een proces dat enkel plaatsvindt in organische halfgeleiders. Na absorptie van een foton met hoge energie, ontstaat een hoog-energetisch deeltje, een singlet exciton. Dit deeltje splitst zich in twee triplet excitons, met ongeveer de helft van de energie per stuk. Dat zonnecellen met singlet-splijting potentieel even goed zijn als tandem zonnecellen – en onder sommige omstandigheden zelfs beter – maken ze tot een interessant alternatief.