Trage ‘hete elektronen’ verbeteren efficiëntie zonnecellen

Pakketjes lichtenergie (fotonen) waarvan de energie-inhoud groter is dan wat een halfgeleider kan absorberen produceren zogeheten ‘hete elektronen’. Het teveel aan energie dat die bij zich dragen gaat snel verloren door omzetting in warmte – en dus niet in elektrische spanning. RUG hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica Maria Antonietta Loi heeft nu een materiaal ontdekt waarin deze hete elektronen hun energie langer vasthouden. Dat maakt het mogelijk om meer van die energie om te zetten in stroom. De resultaten zijn op 16 januari gepubliceerd in Nature Communications.

De efficiëntie van zonnepanelen heeft te lijden onder een ‘Goudhaartje probleem’: fotonen moeten een hoeveelheid energie hebben die precies goed is om te worden omgezet in vrije elektronen die voor elektrische spanning zorgen. Te weinig energie en de fotonen vliegen dwars door de zonnecel heen. Te veel en de extra energie verdwijnt als warmte.

Perovskiet

Dat laatste gebeurt door de productie van hete (hoogenergetische) elektronen. Voordat die uit de zonnecellen zijn te halen geven ze hun overtollige energie af door vibraties te veroorzaken in de kristallen waaruit de cellen zijn gemaakt. ‘Dit energieverlies beperkt de maximale energie van zonnecellen’, legt Loi uit.

Zij werkt aan een speciaal type zonnecellen, gemaakt van organisch/anorganisch hybride perovskiet. Perovskieten zijn vernoemd naar een mineraal dat de chemische formule ABX3 heeft. In de X positie bevinden zich (negatieve) anionen die een achthoek vormen, terwijl in de A positie kationen (positief) een kubus vormen rond de achthoek. In het centrum bevindt zich ook een kation, de B positie. Bij hybride perovskieten bevindt zich in de A positie een organische kation.

Levensduur

Nu bevatten de meeste zonnecellen op basis van perovskiet ook het giftig lood. De groep van Loi heeft onlangs een artikel gepubliceerd waarin ze een efficiëntie van 9 procent beschrijven in een hybride perovskiet zonnecel met tin in plaats van lood, een record voor hybride perovskieten. ‘Toen we dit materiaal wat nauwkeuriger onderzochten zagen we iets vreemds’, vertelt zij. Wat Loi zag was alleen te verklaren wanneer de hete elektronen in dit tin-houdende hybride perovskiet de extra energie ongeveer duizend keer trager afgaven dan gebruikelijk.

‘De hete elektronen verloren de extra energie na enkele nanoseconden, in plaat van na een paar honderd femtoseconden. De ontdekking van zulke relatief lang levende hete elektronen is iets waar al mijn vakgenoten op hoopten’, zegt Loi. Die langere levensduur maakt het mogelijk om de extra energie te oogsten voordat deze is omgezet in warmte. ‘Dan zouden we met de hoogenergetische elektronen een hogere spanning kunnen produceren in de zonnecel.’ Berekeningen laten zien dat door het oogsten van hete elektronen de maximale efficiëntie van hybride perovskiet zonnecellen van 33 naar 66 procent gaat.

Duurzaam

De volgende stap is uitzoeken waarom in een hybride perovskiet met in het verval van hete elektronen is vertraagd. Dan zou het mogelijk zijn gericht nieuwe perovskieten te ontwerpen die dat verval nog sterker vertragen. ‘Deze tin-houdende hybride perovskieten zijn mogelijk een doorbraak in dit veld en kunnen uiteindelijk een grote bijdrage gaan leveren aan de productie van duurzame energie.’

Referentie: Hong-Hua Fang, Sampson Adjokatse, Shuyan Shao, Jacky Even and Maria Antonietta Loi: Long-lived Hot-carrier Light Emission and Large Blue Shift in Formamidinium Tin Triiodide Perovskites Nature Communications 16 January 2018. DOI :10.1038/s41467-017-02684-w

UPDATE 19 januari: NWO heeft bekend gemaakt dat Maria Loi een subsidie krijgt uit het programma voor duurzame materialen. HIeronder de beschrijving van het project.

Hoger rendement met hete ladingsdragers

Maria Antonietta Loi (RUG)

Ladingsdragers die in een zonnecel gegenereerd worden, verliezen een groot gedeelte van hun energie in de vorm van warmte. Dit beperkt de efficiëntie van deze cellen tot waardes lager dan 33 procent. In dit project bestuderen de onderzoekers een materiaal waarin de ladingsdragers hun energie langzaam verliezen, wat hen wellicht in staat stelt om deze hete ladingsdragers efficiënt te benutten. Het streven is het begrijpen van de herkomst van deze nuttige eigenschap en deze te gebruiken voor de optimalisatie van dunne lagen. Het uiteindelijke doel is om een zonnecel te maken die de huidige efficiëntielimiet doorbreekt door gebruik te maken van de hete ladingsdragers.