Zonnecellen zijn kieskeurige eters. Het halfgeleidermateriaal in de cellen – meestal silicium – neemt alleen fotonen (lichtdeeltjes) op met een minimum aan energie. De grootte van die bandkloof verschilt per materiaal en zorgt ervoor dat een laag van één halfgeleidermateriaal nooit alle energie van binnenvallend licht om kan zetten in elektriciteit. Te rode fotonen, met minder energie dan de bandkloof, vallen door de cel heen zonder elektronen vrij te maken. Ook blauwe lichtdeeltjes met meer energie dan de bandkloof worden slecht gebruikt. De energie die overblijft na het vrijmaken van een elektrische lading gaat namelijk verloren als warmte en maakt geen extra elektronen vrij.

Zonnecel van een dunne laag zuiver silicium. Dit soort cellen heeft een theoretisch rendement van 30%; drie tiende van de energie uit zonlicht wordt omgezet in elektrische energie. In de praktijk ligt het rendement van dit type cellen tussen de 15 en 20%. Samen met het dure productieproces en eindige levensduur zorgt dat lage rendement ervoor dat stroom uit zonnecellen nog steeds duur is.

Nanokristallen

Een bekende truc om meer energie uit zonlicht te halen is de tandemcel, een opeenstapeling van verschillende halfgeleidermaterialen. Elke laag pikt een andere kleur uit binnenkomend licht, zodat de zonnecel een stuk minder energie verspilt dan een cel met maar één materiaal. Een dure grap, want om de verschillende laagjes op elkaar te krijgen is ingewikkelde apparatuur nodig.

Scheikundige Prashant Kamat bedacht een manier om met één materiaal toch verschillende kleuren uit zonlicht te ‘oogsten’. Daarvoor moet hij wel werken met onderdelen die twintigduizend keer dunner zijn dan een mensenhaar: brokjes van de halfgeleider cadmiumselenide, van maar 20 tot 40 atomen breed. In Kamat’s nanokristallen of quantum dots hangt de bandkloof niet alleen af van de soort materiaal, maar ook van de grootte van het kristal: hoe kleiner het kristal, hoe groter de bandkloof en hoe meer energie van een binnenkomend foton nuttig gebruikt wordt.

In zijn prototype gebruikt Kamat’s team nanokristallen tussen 2,3 en 3,7 nanometer (miljardste meter) groot, elk gevoelig voor een andere kleur licht. Om vrijgemaakte elektronen af te tappen én structuur aan te brengen in de zonnecel koppelden ze de kristallen aan lange, geleidende buizen van koolstof. Die werden weer vastgeplakt op een ondergrond van titaniumdioxide. Kristallen met een hoge bandkloof zitten aan het einde van de nanobuizen en vangen daar het energierijkste licht; lagergelegen kristallen nemen het steeds energiearmere overgebleven licht op. Het bouwsel lijkt wel op een hoogpolig tapijt, of op een zeeanemoon die met zijn tentakels licht vangt in plaats van langsdrijvend voedsel. Het theoretische rendement van deze zonnecel ligt rond de 30%, anderhalf tot twee keer zoveel als een simpele siliciumcel.

Winkel

Kamat’s ontwerp is veelbelovend, maar voorlopig nog verre van klaar voor commerciële toepassingen. Kristallen aan nanobuizen en een ondergrond plakken is priegelwerk en daardoor niet zomaar op te schalen naar grootschalige industriële productie. Ook is nog niet duidelijk of de zonnecel-anemoon bestand is tegen licht; zonnecellen raken gek genoeg makkelijk beschadigd door wat ze op moeten vangen. Uiteindelijk moet de nieuwe zonnecel, na aftrek van ontwikkelings- en productiekosten, langer leven en meer licht omzetten dan een bestaand model. Anders is het goedkoper om bestaande modellen neer te zetten.

Literatuur

Kongkanand, Tvrdy, Takechi, Kuno en Kamat: Quantum dot solar cells. Tuning photoresponse through size and shape control of CdSe-TiO2 architecture. Journal of the American Chemical Society (maart 2008).