Lawine van elektronen kan rendement van zonnecellen verhogen

Het rendement van zonnecellen kan fors omhoog als daarin een lawine ontstaat van elektronen die elkaar losschieten uit het kristalrooster. Nederlandse onderzoekers hebben aangetoond dat elektronen die door een invallend lichtdeeltje zijn vrijgemaakt uit loodselenide (een verbinding van lood en selenium) ook andere elektronen uit het kristalrooster los kunnen stoten (Nano Letters, 24 mei).

Het team onder leiding van Laurens Siebbeles, hoogleraar aan de TU Delft, heeft aangetoond dat het lawine-effect ontstaat in kristallen met een diameter van 7 nanometer: zogeheten quantum dots. In principe is het dankzij Siebbeles mogelijk om met het lawine-effect in loodselenide een rendement te behalen van 43 procent. Zonder dit effect is dat rendement beperkt tot maximaal 33 procent.

De lawine van elektronen in zonnecelmateriaal is eerder voorspeld en zelfs waargenomen, maar volgens Siebbeles staan deze experimenten ter discussie. De toepassing van intense laserstralen maakte het moeilijk om te bepalen of er in de quantum dots een echte lawine ontstond, of dat er meerdere fotonen nodig waren om de elektronen los te schieten. Siebbeles gebruikte daarom laserstralen van een lage intensiteit. Met een tweede laserpuls kon hij vervolgens de verandering in transparantie in het loodselenide bepalen, een maat voor het aantal losgeslagen elektronen.

Om één elektron uit het kristalrooster los te krijgen die elektrische stroom kan opwekken, hebben invallende fotonen een minimale energie nodig: de zogeheten band gap. In loodselenide bedraagt die 0,28 elektronvolt. Als een foton met een hogere energie een elektron vrijmaakt, dan gaat het restant in een gewone zonnecel verloren als warmte. De overtollige energie wordt omgezet in trillingen van het omliggende kristalrooster. In de zeer kleine quantum dots zitten de elektronen elkaar volgens Siebbeles in de weg, waardoor er meer elektronen vrijkomen die kunnen worden afgevoerd in de vorm van een elektrische stroom.

Hij acht het in principe mogelijk om de minuscule deeltjes te verwerken in een matrix van geleidend plastic en titaniumdioxide die als een verf kan worden aangebracht. Zo ver is het nog lang niet. Om aan het rendement van 43 procent te komen, zou een foton met een energie van vier maal de band gap (blauw licht) ook vier elektronen uit het kristalrooster moeten kunnen losschieten. In de praktijk schoten de blauwe fotonen gemiddeld maar 1,7 elektronen los. Daar komt bij dat loodselenide een giftige stof is, die niet zomaar in zonnecellen kan worden toegepast. Michiel van Nieuwstadt