Binnen het Joint Solar Programme werken onderzoekers in Nederland aan de volgende generatie zonnecellen. De inzet? Het rendement van de energieomzetting verbeteren.

Dé uitdaging voor de toekomst is een goedkope zonnecel met een hoog rendement. Wim Sinke, stafmedewerker Programma en Strategie bij de afdeling Zonne-energie van het Energieonderzoek Centrum Nederland, meent dat we daarvoor moeten inzetten op verschillende categorieën zonne-energie met elk een eigen tijdshorizon. “We moeten én in de huidig beschikbare technologieën investeren én in het fundamentele onderzoek voor op de lange termijn. Zo blijft Nederland nu in de business, maar ook over twintig jaar.”

Momenteel worden voornamelijk kristallijn-siliciummodules verkocht. Die technologie is al beschikbaar en bewezen, maar nog relatief duur. “Die modules kunnen, net als de huidige dunne-film zonnecellen, in de toekomst veel goedkoper worden en rendementen tot 20 procent of iets meer halen, maar voor veel hogere rendementen moet men iets anders proberen dan de huidige technologieën”, meent Sinke.

Fundamenteel vlak

De Stichting Shell Research, het FOM en CW van het NWO hebben in 2004 het Joint Solar Pro­gramme ingesteld dat de uitdagingen op het fundamentele vlak moet gaan aanpakken. Het programma ondersteunt met een budget van 3,7 miljoen euro het fundamenteel onderzoek naar zonnecellen, dat op zoek is naar een manier om het energieverlies zo veel mogelijk te beperken. Nu is namelijk minder dan de helft van de zonne-energie bruikbaar voor zonnecellen.

Een groot deel van de opgevangen fotonen bevat te weinig energie om de bandafstand van de gebruikte halfgeleider te overbruggen. Bij kristallijnsilicium is de halfgeleiderbandafstand 1,1 eV, wat betekent dat zonlicht met een golflengte groter dan 1.100 nm onbruikbaar is. Bovendien gaat het teveel aan energie van fotonen met een kortere golflengte ook nog verloren. Een elektron kan namelijk niet meer bruikbare energie bevatten dan deze bandafstand en alle overige energie van de fotonen gaat snel verloren in warmte.

Conversie

Eén mogelijkheid om het energieverlies te beperken is het zonnespectrum aanpassen. Voor halfgeleiders met een kleine bandafstand worden materialen ontwikkeld die efficiënt één foton van een hoge energie (uv) omzetten in twee fotonen van lagere energie (zichtbaar licht), die beide geabsorbeerd kunnen worden: een fenomeen dat down-conversion heet. Daarnaast zoekt men naar materialen die in staat zijn twee fotonen infraroodstraling om te zetten in één foton zichtbaar licht: up-conversion. Er moeten dan twee naburige ionen tegelijkertijd aangeslagen worden, zodat de een zijn energie kan afstaan aan de ander. Daardoor werkt het proces alleen efficiënt bij lichtintensiteiten van vele malen hoger dan die van zonlicht.

Een oplossing voor dit probleem ziet men aan het FOM-Instituut AMOLF in oppervlakteplasmonen. Dit zijn elektromagnetische golven die zich voortplanten langs het grensvlak tussen een metaal en een diëlektricum met een heel grote veldintensiteit dicht bij het grensvlak. Ze kunnen met lichtgolven geëxciteerd worden door een metaaloppervlak te belichten dat bestaat uit periodieke patronen in de grootteorde van de golflengte van het licht.

Interessant voor up- en ook voor down-conversion zijn daarnaast de lanthaniden. Die zijn met hun complexe energieniveaustructuur uitermate geschikt voor efficiënte spectrale conversie. Aan de Universiteit Utrecht speurt men naar specifieke combinaties van ionen die hiertoe in staat zijn. Aangetoond is al dat bij een Er,Yb-koppel ingebouwd in NaYF4-kristallen down-conversion optreedt. Mogelijk zouden die stoffen in de vorm van nanobrokjes aan zonnecellen kunnen worden toegevoegd. In Groningen proberen ze moleculen te synthetiseren die hetzelfde werk doen als de nanobrokjes, en recentelijk is er al een molecuul gemaakt dat dicht in de buurt komt.

Nanodeeltjes

Met quantum dots probeert men het energieverlies aan warmte van aangeslagen elektronen te beperken. Dit zijn nanodeeltjes die alleen bepaalde hoeveel­heden energie opnemen en weer afgeven. Door de tragere afkoeling van de elektronen zou de overmaat aan energie aan een nanodeeltje ontrokken kunnen worden, voordat die wordt omgezet in warmte.

Een project onder leiding van Mischa Bonn, bijzonder hoogleraar aan de UvA en onderzoeksleider aan het FOM-instituut AMOLF, wees echter uit dat de elektronen in quantum dots van cadmium­selenide zelfs nog sneller afkoelen dan in het bulkmateriaal. Het elektron blijkt zijn extra energie door de sterke onderlinge Coulomb-interactie gewoon over te dragen aan het bijbehorende gat. Onderzocht wordt nu hoe die koeling precies optreedt en of die in andere materialen wel wordt vertraagd. Mogelijke voorbeelden hiervan zijn metaaloxides en bepaalde geconjugeerde polymeren. Bonn: “We onderzoeken ook het oogsten van de ladingsdragers door ze uit de quantum dots te verwijderen en te injecteren in bijvoorbeeld een TiO­2-fase. Wellicht kan dat toch wel vlot genoeg om het snelle koelen te vermijden.”

Multi-excitonen

Aan de TU Delft richt men zich op het impact-ionisatieproces, waarbij de overmaat energie van een foton wordt gebruikt om een tweede elektrongatpaar te generen. Maar de ladingen in deze zogenoemde multi-excitonen zijn sterk aan elkaar gebonden. Om bij te dragen aan de stroom van een zonnecel moeten ze eerst worden gescheiden.

In Delft onderzoekt men de dynamica van de processen met behulp van gepulste femtoseconde lasertechnieken. Het doel van het project is te weten te komen hoe de efficiëntie van het proces afhangt van het materiaal van de nanodeeltjes, hun grootte en hun vorm. Daarnaast zal men onderzoeken hoe een matrix van een ander materiaal dit proces beïnvloedt.

Dit doet men ook aan de TU/e. Daar hebben ze hybride impact-ionisatie quantumdot zonnecellen ontworpen, waarin ladingsscheiding mogelijk is door verschil in oxidatiepotentiaal van twee verschillende materialen, bij hen PbSe en een geconjugeerd polymeer. “De positieve ladingen die op het PbSe-nanodeeltje zijn ontstaan, migreren naar de polymeer als resultaat van een elektronoverdrachts­reactie. Als beide materialen in de juiste verhouding gemengd zijn en metaalelektrodes met een verschillende werkfunctie worden gebruikt, is het door de contacten tussen de polymeerketens mogelijk dat de positieve ladingen de ene elektrode bereiken en de negatieve ladingen op PbSe via onderling contact tussen de nanodeeltjes de andere”, legt projectleider Stefan Meskers uit.

Kristal

Aan de Universiteit Utrecht worden dunne-laag zonnecellen gemaakt met een fotonisch kristal in de actieve laag van het silicium. Dit zijn kleine bolletjes silica met een laagje goud eromheen, die licht over een breed spectrum absorberen. Het stapelen van de colloïden in een kristalrooster zorgt ervoor dat het invallende licht een langere weg door de actieve laag in de cel aflegt en het daardoor efficiënter wordt weggevangen.

Op de lichtgewicht, flexibele polymeer zonnecellen wordt ingezet door de TU/e. De stormachtige ontwikkelingen van de afgelopen jaren hebben ervoor gezorgd dat het rendement van deze cellen in vijf jaar vervijfvoudigd is tot 5 procent.

Het Joint Solar Programme hoopt met dit onderzoek de bestaande barrières voor de realisatie van hogere rendementen weg te nemen. Sinke, tevens voorzitter van de programmacommissie, waarschuwt echter dat het programma alleen op de lange termijn een bijdrage kan leveren. “De projecten gaan over zaken die nog absoluut geen technologieën te noemen zijn. Veel principes moeten zichzelf nog bewijzen en bestaan alleen nog maar op papier of als meting aan een teststructuur. Het doel is er een paar uit te krijgen die na 2020 hoge rendementen van commerciële panelen kunnen gaan opleveren. Rond 2030 kunnen we dan mondiaal een merkbare bijdrage van zonne-energie aan de energievoorziening krijgen, die daarna pijlsnel kan groeien. Om dat mogelijk te maken, moeten we echter nu beginnen.”|