Ruim vijftig jaar na de eerste siliciumzonnecel van Bell Laboratories wordt er nog volop aan de techniek gesleuteld. Commerciële zonnepanelen bestaan uit de halfgeleider silicium, aangevuld met sporenelementen. Ze zetten licht om in elektrische energie, met een rendement tussen de 15 en 20%. Energieopwekking is door het lage rendement, hoge productiekosten en de eindige levensduur nog steeds een dure aangelegenheid. Hogere rendementen gaan gepaard aan hogere productiekosten. Cellen van galliumarsenide halen bijvoorbeeld een (laboratorium)rendement tot 40,7%. Alleen ruimtevaartprogramma’s gebruiken die peperdure cellen om hun satellieten te voorzien van een lichtgewicht energievoorziening.

Bandkloof

De grote beperking van zonnecellen is dat ze het het beste presteren bij één kleur licht. Om elektronen in de halfgeleider los te maken van hun atomen is een minimumhoeveelheid energie nodig. Tussen de gebonden valentietoestand en de mobiele geleidingstoestand zit namelijk een ‘verboden’ energiegebied: de bandkloof. Een binnenkomend foton (lichtdeeltje) moet genoeg energie hebben om een elektron over de bandkloof te werken, anders wordt het niet opgenomen en blijft het elektron gebonden. Een conventionele siliciumcel neemt daardoor geen energiearm licht uit de rode kant van het spectrum op. Ook een te energierijk (blauwer) foton, met genoeg energie om meerdere elektronen te bevrijden, wordt inefficiënt gebruikt. Alle energie wordt overgedragen aan één elektron, dat de extra energie binnen ongeveer een biljoenste seconde kwijtraakt via botsingen.

Teveel energie per vrijgemaakt elektron is een recept voor energieverspilling. Daarom proberen onderzoekers de energie van invallend licht over meerdere elektronen te verdelen. Dat kan bijvoorbeeld door multi-exciton generation of ladingsvermenigvuldiging. Hoogleraar Laurens Siebbeles van de TU Delft onderzoekt die techniek binnen FOM’s Joint Solar Programme. “De mogelijkheid om met één foton een reeks elektronen vrij te maken werd aan het eind van de jaren ’80 geopperd, door Arthur Nozik van het Amerikaanse NREL. Het idee is dat elektronen in een zonnecel energie aan elkaar kunnen doorgeven via de elektrische Coulombkracht.” Resultaat is dat een foton één elektron vrijmaakt, dat daarna een klein aantal anderen over de bandkloof helpt. Dat kan het theoretische rendement van een zonnecel van 33% naar 44% tillen.

Opeengepakte elektronen

“Victor Klimov van het Amerikaanse Los Alamos National Laboratory toonde als eerste ladingsvermenigvuldiging experimenteel aan”, aldus Siebbeles: “eerst in nanokristallen van loodselenide en later ook in cadmiumselenide”. Volgens Klimov zijn de afmetingen van de nanokristallen, een paar miljardste meter of tientallen atomen breed, de belangrijkste factor in het proces. “Ladingsvermenigvuldiging is afhankelijk van elektronen die dicht op elkaar zitten gepakt in een halfgeleider van nanoschaal”, legde hij uit: "daarom bepalen met name de afmetingen van het kristal en in mindere mate zijn samenstelling de sterkte van het effect ". Zonnecelspecialisten reageerden positief op de ontdekking en er werd vervolgonderzoek gestart, onder andere in het Nederlandse Joint Solar Programme.

Er klonken ook tegengeluiden: een onderzoeksgroep van MIT liet zien dat er toch géén ladingsvermenigvuldiging optrad in cadmiumselenide. Zoiets overkwam ook Mischa Bonn, FOM-onderzoeker verbonden aan het instituut voor atoom- en molecuulfysica AMOLF. Zijn groep presenteerde in 2007 bewijs van ladingsvermenigvuldiging in een nanokristal indiumarsenide in het Journal of Physical Chemistry C. Later controleerde Bonn de metingen grondig en concludeerde dat er geen ladingsvermenigvuldiging optreedt; het eerdere resultaat werd teruggetrokken.

Volgens Delftenaar Siebbeles luisteren de experimenten met ladingsvermenigvuldinging erg nauw. “We werken met femtosecondelasers, laserpulsen van minder dan een biljoenste seconde. Zo’n laser heeft vaak een hoge intensiteit – veel fotonen in de puls. Hierdoor kunnen meerdere fotonen het nanokristal ingaan en elk één elektron losmaken. Je meet dan meerdere losgemaakte elektronen en kunt dat ten onrechte aan ladingsvermenigvuldiging toekennen.”

Ladingsvermenigvuldiging aangetoond

Siebeles en zijn promovendus Tuan Trinh besloten bij extreem lage laserintensiteit op zoek te gaan naar ladingsvermenigvuldiging in loodselenide. Bij lage intensiteit vuurt de laser met losse lichtdeeltjes in plaats van met een hele stroom. “Dat leverde positief resultaat: we zagen ladingsvermenigvuldiging in actie. De vraag is nu: waarom werkt het bij sommige stoffen wel en bij andere niet? En kan ladingsvermenigvuldiging ook in een bulkmateriaal optreden, of alleen in nanokristallen?” De onderzoekers publiceerden hun onderzoek in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.

Er is nog veel werk nodig voor dit labresultaat een werkend apparaat oplevert. Extra elektronen losmaken betekent nog niet dat ze vrij beschibaar zijn om een apparaat van stroom te voorzien. Siebbeles’ groep werkt aan elektrodes die de vrijgemaakte elektronen uit de quantum dot halen. Een eerste probeersel werkt met geleidende polymeren. Die vormen een snelweg waarlangs de ladingsdragers wegkunnen.

“Een commerciële toepassing is nog ver weg”, waarschuwt Siebbeles. “We moeten ladingsvermenigsvuldiging leren beheersen, de vrijgemaakte ladingen efficiënt ‘oogsten’, een cel ontwerpen die niet achteruitgaat door blootstelling aan lucht of licht…”

Ontwerpers worden misschien geconfronteerd met milieuwetgeving die loodgebruik aan banden legt. Dan zouden ze op zoek moeten naar andere stoffen waarin ladingsvermenigvuldiging optreedt. Siebbeles: “En wie weet blijkt het allemaal minder efficiënt dan gehoopt. Hoe dan ook levert dit spin-off in de vorm van fundamentele kennis, die op allerlei gebieden van pas kan komen. Maar ladingsvermenigvuldiging in commerciële zonnecellen? Een doorbraak kan over een tiental jaren komen, maar het ook veel langer duren.”

Dit artikel verscheen eerder in FOM Expres, een interne publicatie van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie.