‘Gronings’ materiaal vergroot mogelijk opbrengst zonnecel

Zonnecellen produceren nu behalve elektriciteit ook nutteloze warmte. Bij het oplossen van dit probleem hebben Groningse onderzoekers een stap gezet met een nieuw materiaal.

Huis met zonnepanelen in de Belgische hoofdstad Brussel. Zonnepanelen kunnen in principe twee keer zoveel energie opleveren als het probleem van de ‘hete elektronen’ zou worden opgelost. artJazz

Bij toeval hebben onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen een materiaal ontdekt dat energierijke elektronen in zonnecellen langer vasthoudt. De extra energie die dit oplevert, kan mogelijk gebruikt worden om meer elektriciteit op te wekken. De resultaten verschenen dinsdag in Nature Communications.

De maximale efficiëntie van zonnecellen is nu beperkt door een zogenoemd ‘Goudlokje-probleem’. De lichtdeeltjes die op zonnepanelen vallen worden alleen efficiënt omgezet in elektriciteit als ze precies de juiste energie hebben. Te weinig energie en er gaat geen stroompje lopen, te veel energie en het overschot wordt omgezet in nutteloze warmte.

Het rendement van zonnecellen is beperkt door ‘Goudlokje-probleem’

Dat warmteverlies gaat via ‘hete elektronen’, die gemaakt worden door de energierijke lichtdeeltjes. „Het verlies door de hete elektronen is groot”, vertelt hoogleraar Maria Antonietta Loi van de Rijksuniversiteit Groningen aan de telefoon. „Ik schat 30 tot 40 procent.”

Als alle energie van deze elektronen benut zou worden door de zonnepanelen wordt de maximale efficiëntie verhoogd van de huidige 33 procent naar 66 procent, schrijven de onderzoekers.

Kunstenaarsimpressie van een enkel perovskietkristal dat boven een oppervlak van perovskiet zweeft. Tijdens het onderzoek werd er met laserlicht op geschenen om de elektronen in het kristal energie te geven. Het overschot aan energie die niet direct in elektriciteit omgezet kan worden, raken de elektronen kwijt door warmte uit te zenden. Arjen Kamp

Maar hete elektronen zijn ongrijpbaar. Binnen minder dan een biljoenste van een seconde verliezen ze hun energie en heb je er niets meer aan.

In het materiaal van de Groningse onderzoekers gaat het energieverlies duizend keer langzamer. Dat biedt mogelijkheden. „De droom van onderzoekers is om de energie van de elektronen te winnen als ze nog heet zijn”, vertelt Loi. Trager energieverlies geeft de tijd om de energie te winnen en zo de efficiëntie van zonnepanelen te verhogen.

De zonnecellen uit het onderzoek zijn gemaakt van perovskiet op basis van tin in plaats van het gebruikelijke lood. Perovskiet is een veelbelovend materiaal voor zonnepanelen, maar meestal bevat het lood, dat erg giftig is. Loi onderzocht daarom de mogelijkheden van tin. „We waren niet opzoek naar een materiaal dat de hete elektronen langer vast zou houden”, vertelt Loi. „Maar tijdens het testen zagen we tot onze verrassing het trage energieverlies van de elektronen.”

Hoe het perovskiet met tin ervoor zorgt dat de hete elektronen langer hun energie behouden, weten de onderzoekers nog niet. Loi: „Het zou kunnen zijn dat de atomen in het materiaal minder makkelijk trillen, waardoor de hete elektronen hun energie minder makkelijk verliezen in de vorm van trillingen. Maar het kan ook te maken hebben met de kristalstructuur van het materiaal.”

    • Dorine Schenk