Doorbraak met tin kan zonnepanelen voorbij hun grens helpen

Zonnepanelen verspillen het grootste deel van het zonlicht dat erop valt. Een team van natuurkundigen uit Nederland en Oostenrijk heeft mogelijk een aanwijzing gevonden die kan helpen om dat verlies ooit flink te verkleinen.

Onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen en de Technische Universiteit Wenen (TU Wien) hebben ontdekt waarom een materiaal met tin de energie van zonlicht veel langer vasthoudt dan verwacht. Hun resultaten, gepubliceerd in het vakblad ACS Energy Letters, wijzen de weg naar een nieuw type zonnecel dat in theorie een grens kan doorbreken die wetenschappers al tientallen jaren als vaststaand beschouwen.

De rendementsgrens van 33%

Een gewone zonnecel van één laag materiaal kan hooguit ongeveer een derde van het zonlicht omzetten in elektriciteit. Deze grens, bekend als de Shockley-Queisser-limiet, ligt rond de 33%, en gewone zonnepanelen blijven daar ruim onder.

Een groot deel van het verlies gebeurt in een oogwenk. Als zonlicht op een zonnecel valt, brengt het elektronen in beweging, zodat ze als elektrische stroom kunnen gaan lopen. Licht met veel energie, zoals blauw licht, maakt 'hete' elektronen die een bonus aan extra energie meedragen. Maar deze elektronen koelen vrijwel meteen af, binnen enkele biljoensten van een seconde, en hun bonus verandert in nutteloze warmte voordat die kan worden opgevangen.

Wetenschappers dromen al lang van een zogeheten hot-carrier-zonnecel, die deze elektronen vangt terwijl ze nog heet zijn. Het probleem is tijd: die is er meestal niet.

Een verrassende vertraging

Perovskieten op basis van tin, een familie kristallen die in zonnecellen gebruikt kan worden, leken die regel te doorbreken. Metingen, onder meer van de Groningse hoogleraar Maria Antonietta Loi, lieten zien dat hun elektronen ongeveer duizend keer langer heet bleven dan normaal, tot wel enkele miljardsten van een seconde.

Het resultaat was zo ongewoon dat het team eraan twijfelde. "We begonnen zelfs aan de metingen zelf te twijfelen," zegt Jan Anton Koster, hoogleraar natuurkunde in Groningen en corresponderend auteur van de studie. Koster en promovendus Tim Faber bouwden daarna gedetailleerde computersimulaties om te achterhalen wat er aan de hand was.

Twee effecten die samenwerken

Het antwoord bleek uit twee delen te bestaan. Het eerste effect werkt als een warmteval. Terwijl hete elektronen afkoelen, geven ze hun energie af aan kleine trillingen in het kristal. In deze materialen kunnen die trillingen een deel van die energie direct teruggeven aan de elektronen, voordat die ontsnapt.

Het tweede effect is een soort file. Om af te koelen moeten elektronen naar lagere energieniveaus zakken. Maar als veel elektronen tegelijk energie hebben opgenomen, raken die lagere niveaus vol en is er geen plek meer om naartoe te vallen. Kristallen op basis van tin zijn hier extra gevoelig voor, omdat hun elektronen zich gedragen alsof ze ongewoon licht zijn.

Geen van beide effecten kon de labresultaten alleen verklaren. Pas toen de onderzoekers ze allebei meenamen, vertraagde het afkoelen in hun simulaties meer dan honderdvoudig, vergelijkbaar met wat in experimenten was gemeten.

Nog niet zover

Het team benadrukt dat nog niemand een werkende hot-carrier-zonnecel heeft gebouwd. Ingenieurs moeten nog manieren vinden om de hete elektronen snel af te vangen en hun extra energie om te zetten in elektriciteit. Wel hebben de onderzoekers een recept opgesteld voor toekomstige materialen: elektronen die zich gedragen alsof ze licht zijn, een zachte en flexibele kristalstructuur en zo min mogelijk onzuiverheden, omdat defecten het energieverlies juist versnellen.

Tin heeft nog een voordeel. Veel van de best presterende perovskieten van dit moment bevatten lood, dat giftig is. Tin is daarom een minder schadelijk alternatief.

"De metingen waren duidelijk, maar we begrepen de natuurkunde erachter niet," zegt Koster. Nu wel, en dat inzicht kan een eerste stap zijn naar zonnepanelen die meer stroom halen uit elke zonnestraal.