De techniek is er op ingericht in de zonnecel zoveel mogelijk fotonen in elektriciteit om te zetten. Hairen Tan en Rudi Santbergen gebruikten daarvoor nanodeeltjes van zilver die zich achter een dunne en flexibele siliciumzonnecel bevinden. De deeltjes vangen de fotonen die in eerste instantie door de zonnecel heen gevallen zijn en kunnen ze teruggeven aan de zonnecel. Het onderzoek is begin deze maand gepubliceerd op de website van het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.
De methode die Tan en Santbergen ontwikkelen is een relatief nieuwe vorm van light trapping (het vangen van licht). Daaronder vallen ook technieken die al tientallen jaren worden verkend in de zoektocht naar zonnecellen met een hoog rendement. De laatste jaren worden steeds vaker met succes nanodeeltjes ingezet voor het vangen van licht.
Alternatieve manier van licht vangen
Een oudere manier van light trapping – zonder nanodeeltjes – berust op het ruw maken van het oppervlakte van de zonnecel. Daardoor worden binnenvallende fotonen als het ware in de cel heen en weer gekaatst. Op die manier zijn ze langer in de zonnecel en is de kans groter dat ze worden geabsorbeerd.
Ook in de Delftse zonnecel worden fotonen zo lang mogelijk vastgehouden. De zonnecel bestaat uit een dunne laag van silicium waarin de elektriciteit wordt opgewekt. Die ligt bovenop een spiegel waar de nanodeeltjes van zilver op liggen. De nanodeeltjes zorgen ervoor dat fotonen die in eerste instantie niet door het silicium zijn opgenomen onder een hoek worden teruggekaatst. Door de schuine (en dus langere) baan van de lichtdeeltjes door de zonnecel is de kans vervolgens groot dat ze worden geabsorbeerd.
Juiste nanodeeltjes
De kunst is volgens de onderzoekers om de nanodeeltjes de juiste vorm en grootte te geven om een optimaal rendement te veroorzaken. “Onze zilverdeeltjes zijn ongeveer 200 à 300 nanometer groot en zien eruit als dikke pannenkoeken”, laat Santbergen aan de telefoon weten. “We maken ze door een uniform laag zilver te verwarmen tot 400 graden Celsius, waardoor de laag opbreekt in kleine druppeltjes; de nanodeeltjes.”
Voor het eerst heeft deze manier van light trapping evenveel rendement opgeleverd als met de ruwe-oppervlakte-methode. De onderzoekers zagen dat de nanodeeltjes de efficiëntie van de zonnecel van 6,3 naar 7,9 procent opkrikte. Ten opzichte van alternatieve light-trapping-methodes is deze verbetering nagenoeg hetzelfde. “De doorbraak is echter dat we nu met een andere dan gebruikelijke methode hetzelfde resultaat hebben gehaald”, zegt Santbergen. “Een methode die volgens ons nog sterk verbeterd kan worden in tegenstelling tot de alternatieven. Het is simpeler, goedkoper en beter op te schalen.”
Stimulans voor de flexibele zonnecel
Deze methode kan de flexibele zonnecel een extra stimulans geven. Want hoewel ze nog achterblijven als het om rendement gaat (een reguliere zonnecel kan wel een rendement van 20 procent hebben) zijn ze veel goedkoper. De flexibele variant gebruikt minder materiaal (ze zijn wel 100 tot 500 keer dunner) en heeft bovendien significant lagere installatiekosten omdat hij op flexibele substraten gemaakt kan worden.
Zie ook:
- TU Delft zonnecelonderzoekers vangen licht met zilveren nanodeeltjes (persbericht TU Delft)
- Plasmonic Light Trapping in Thin-film Silicon Solar Cells with Improved Self-Assembled Silver Nanoparticles – Nano Letters (Engels)
- Gronings onderzoek maakt plastic zonnecel efficiënter en doorzichtig (Kennislink)
- Zonnecellen: plastic kan silicium verslaan (Kennislink)
- De toekomst op licht (Wetenschap24)