[PWC-MEDIA] STW Persbericht - Quantumproces in zonnecellen
- From: pr@xxxxxx
- To: pwc-media@xxxxxxxxxxxxx
- Date: Fri, 16 Mar 2012 13:37:01 +0100
Datum 16-03-2012
Correspondentienummer 2012/05139/STW
Betreft: STW Persbericht - Quantumproces in zonnecellen
Geachte lezer,
E M B A R G O tot zondag 18 maart 2012, 19.00 uur
Quantumproces in silicium-nanokristallen haalt meer energie uit zonlicht
Het rendement van zonnecellen kan enorm verhoogd worden door energieverliezen
te reduceren. Voordat het invallende zonlicht elektriciteit heeft weten op te
wekken gaat een groot deel van de energie van het licht verloren aan opwarming
van de zonnecel. Onderzoekers van Technologiestichting STW, NanoNextNL, de
Universiteit van Amsterdam en de Technische Universiteit Delft hebben nu
experimenteel inzicht gekregen in een quantumproces in nanokristallen van
silicium dat overtollige energie van licht overdraagt aan naburige
nanokristallen, zodat energieverlies in de vorm van warmte wordt vermeden. Dit
mechanisme is pas recent voorgesteld. De metingen van de onderzoekers laten
zien dat het zich werkelijk gedraagt zoals theoretisch geopperd. Dat opent de
weg naar zonnecellen met een aanzienlijk hoger rendement dan de 25% die nu in
de praktijk wordt gehaald. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 18
maart aanstaande in een Advance Online Publication op de website van Nature Pho
tonics.
Een zonnecel bestaat uit een halfgeleidermateriaal. Dat materiaal absorbeert
lichtdeeltjes (fotonen) doordat elektronen in de valentieband de energie van
fotonen opnemen en hierdoor in de geleidingsband terechtkomen. Daarbij laten ze
een gat in de valentieband achter. In de geleidingsband hebben de elektronen
veel bewegingsvrijheid. Daardoor kun je de elektron-gat-paren uit het materiaal
te trekken, en zo wek je elektrische stroom op. Alle energie die groter is dan
de zogeheten bandkloof (de afstand, in energie, tussen de valentieband en
geleidingsband) gaat binnen enkele femtoseconden (miljoensten van een
miljardste seconde) verloren aan roostertrillingen in het materiaal, waardoor
de zonnecel warm wordt.
Voor silicium, de meest gebruikte halfgeleider in zonnecellen, betekent dit dat
er maximaal maar zo'n 30 procent van de energie in het zonnespectrum omgezet
kan worden in elektriciteit. In de praktijk zijn echter slechts rendementen tot
25 procent behaald. De rest van de invallende energie gaat verloren.
Energieopbrengst verhogen
Hier valt iets tegen te doen met silicium-nanokristallen in het materiaal. Door
hun dimensies van maar enkele nanometers gaan quantumeffecten een rol spelen:
er ontstaat een proces dat veel meer ladingen produceert dan door enkel het
absorberen van fotonen het geval is. Dit proces wordt in jargon Space-Separated
Carrier Multiplication (SSCM) genoemd. Het zorgt ervoor dat de energie uit het
licht die groter is dan die eerder genoemde bandkloof razendsnel verspreid
wordt naar andere elektron-gat-paren in naburige nanokristallen vóórdat
opwarming plaatsvindt. Zo zorgt één hoog-energetisch foton voor verscheidene
enkelvoudige elektron-gat-paren in naburige nanokristallen. In een ideaal
scenario kan dit proces de efficiëntie van siliciumzonnecellen verhogen
richting de 50 procent. Aangezien het gevecht van efficiëntieverbetering
tegenwoordig plaatsvindt over fracties van procenten is dit een aanzienlijke
verbetering.
Opzienbarend inzicht
Het SSCM-proces was al wel bekend maar tot voor kort alleen langs indirecte weg
aangetoond, namelijk door te meten hoeveel fotonen de nanokristallen in het
materiaal uitzenden. Dat is een maat voor de energie die eerder was
geabsorbeerd. De onderzoekers hebben het proces nu direct waargenomen. Daarvoor
bestralen ze een sample met nanokristallen met femtoseconde-laserpulsen en
kijken met dezelfde laser direct wat het gevolg is. Omdat die pulsen korter
zijn dan de tijdsduur waarin de opwarming zich voltrekt kunnen de onderzoekers
met hun 'pump-and-probe'-opstelling "meekijken" in het absorptieproces en
daarmee het moment zien waarop nieuwe energiedragers ontstaan. Dit leverde een
opzienbarend inzicht op: SSCM blijkt plaats te vinden in directe vorm. Dat wil
zeggen dat de absorptie van een hoog-energetisch foton direct gevolgd wordt
door de splitsing in energie en ruimte, leidend tot de vorming van verscheidene
enkelvoudige elektron-gat-paren in naburige nanokristallen. Dit proc
es is extra aantrekkelijk omdat het de levensduur van binnenkomende energie
uit fotonen veel langer maakt dan het aanvankelijke absorptieproces. Er is dus
veel meer gelegenheid voor energieomzetting.
Naar aanzienlijk hoger rendement
Nanokristallen van silicium in zonnecelmateriaal nemen fotonen op en zenden die
voor een deel op een andere golflengte weer uit. Dit spectrumvervormende effect
van de nanokristallen wordt al uitvoerig onderzocht om op indirecte manier het
rendement van zonnecellen te verhogen. Het nieuwe inzicht in het SSCM-proces
maakt duidelijk dat de nanokristallen ook direct kunnen bijdragen aan het
efficiënter omzetten van het zonlicht. Daarmee is dit nieuwe inzicht een
essentiële aanvulling voortzetting vanop de al eerder vergaarde kennis en lijkt
de weg vrij te maken voor zonnecellen, opgebouwd vanuit met
silicium-nanokristallen, metdie een substantieel hoger rendement dan bestaande
cellen kan bereiken.
Referentie:
"Direct generation of multiple excitons in adjacent silicon nanocrystals
revealed by induced absorption", Tuan Trinh, Rens Limpens, Wieteke de Boer,
Juleon Schins, Laurens Siebbeles en Tom Gregorkiewicz, AOP, Nature Photonics,
18 maart 2012, http://dx.doi.org DOI 10.1038/NPHOTON.2012.36
Trinh, Limpkens, De de Boer en Gregorkiewicz werken in het Van der Waals-Zeeman
Institute van de Universiteit van Amsterdam. Schins en Siebbeles zijn verbonden
aan de sectie Optoelektronische Materialen van de Afdeling Chemical Engineering
van de Technische Universiteit Delft. Trinh en De de Boer werken op een
STW-project voor dit onderzoek; samen met Limpens is daarbij
betrokken(NanoNextNL).
Voor de redactie:
Meer informatie bij prof.dr. Tom Gregorkiewicz, telefoon 020 - 525 5643, e-mail
t.gregorkiewcz@xxxxxx
Bijschriften
Figuur 1. Nanokristallen van silicium (in de cirkels) in een sample van een
siliciumdioxide-matrix waarin de kristallen zijn ingebed. De afbeelding is
gemaakt met een scanning transmissie elektronenmicroscoop (STEM).
Figuur 2. Een artistieke impressie van het SSCM-proces. Hoog-energetische
fotonen kunnen verscheidene nanokristallen aanslaan en zo in één keer een
aantal elektron-gat-paren produceren. Illustratie Wieteke de Boer
Met vriendelijke groet,
pr@xxxxxx
Technologiestichting STW
Postbus 3021
3502 GA Utrecht
Tel 030-6001283
Fax 030-601 44 08
pr@xxxxxx
http://www.stw.nl
BELANGRIJKE MEDEDELING
De informatie in dit bericht is vertrouwelijk en uitsluitend bestemd voor de
geadresseerde. Als u niet de geadresseerde bent of geautoriseerd bent om dit
bericht te ontvangen, verzoeken wij u het bericht en zijn inhoud te vernietigen
en de afzender te informeren. Verspreiding, verveelvoudiging, bekendmaking of
gebruik van de informatie kan onrechtmatig zijn.
Technologiestichting STW
Other related posts:
- » [PWC-MEDIA] STW Persbericht - Quantumproces in zonnecellen - pr
