Zon wekt in plastic halfgeleider nauwelijks elektrische stroom op

Metingen van een groep Nederlandse natuurkundigen (in Delft en Leiden) hebben duidelijk gemaakt waarom zonnecellen op basis van plastic halfgeleiders een veel minder hoog rendement hebben dan `klassieke' zonnecellen gemaakt van bijvoorbeeld silicium. Invallend (zon)licht blijkt in halfgeleidende plastics nauwelijks een elektrische stroom op te wekken, maar produceert voornamelijk tegengesteld geladen deeltjes die samen optrekken en daardoor niet bijdragen aan de geleiding. Grootschalige toepassing van dit soort plastic zonnecellen is dan ook nog onmogelijk.

En dat is jammer omdat ze niet alleen goedkoper zijn, maar ook veel gemakkelijker te produceren. Nu echter duidelijk is waardoor de geleiding wordt belemmerd, kan er wellicht meer gericht gewerkt worden aan een verbetering van de elektrische eigenschappen. (Physical Review Letters, 14 mei).

Voor toepassing in zonnecellen is het noodzakelijk dat licht dat op de halfgeleider valt geladen deeltjes vrijmaakt: negatieve elektronen en positief geladen `gaten': plaatsen waar een elektron ontbreekt. Die kunnen dan aan de elektroden worden geoogst en vormen zo de gewenste `zonnestroom'. In het laboratorium zetten zonnepanelen op basis van kristallijn silicium de invallende zonne-energie met een rendement van meer dan 20 procent om in elektrische energie. Het rendement van plastic halfgeleiders is ongeveer een factor tien lager. Om dit te verbeteren is het nodig een beter inzicht te krijgen in de processen die zich afspelen nadat een halfgeleider licht heeft geabsorbeerd. Zo worden de ladingen niet alleen vrijgemaakt, maar kunnen ze zich ook innig verbonden door het materiaal voortbewegen. Zo'n combinatie van een gat met een elektron (een exciton) is elektrisch neutraal en draagt niet bij aan de geleiding. Tot nu toe was het onduidelijk welk deel van de lichtenergie wordt omgezet in excitonen en welk deel in vrije ladingen. Die vraag is nu door Mischa Bonn en zijn collega's van de universiteiten van Leiden en Delft en het FOM instituut voor Atoom- en Molecuulfysica beantwoord.

Met behulp van speciale elektromagnetische terahertz-golven wisten ze tegelijkertijd zowel de vrije als de gebonden ladingsdragers te meten op verschillende tijdstippen na het invallen van een laserpuls. Zo werd duidelijk dat slechts één procent van de lichtenergie nuttig wordt gebruikt voor het opwekken van een elektrische stroom. De rest verdwijnt bijna volledig in de vorm van excitonen. Om halfgeleidende plastics beter geschikt te maken voor toepassing in zonnecellen is het dus zaak een methode te ontwikkelen waarmee die excitonen opgesplitst kunnen worden.