Een zonnecel, ik zeg het nog maar eens, is technisch gezien een elegante manier om zonne-energie direct om te zetten in voor ons bruikbare energie (elektra). Heel wat eleganter dan dat geknoei met water, zoals bij andere, conventionele manieren van energieopwekking. Toch wil de echte doorbraak met zonne-energie maar niet komen. Te weinig rendement, is dan de kreet, maar dat kan niet waar zijn.  Van een energetisch gezien totaal onrendabel systeem als de auto, rijden tientallen miljoenen exemplaren op de aardbol rond. Ter zake. Er zijn, bij onderzoek, twee systemen bedacht, die het rendement van zonnecellen over de economische (en geestelijke?) drempel zou kunnen tillen: een cel die ook infrarood licht gebruikt en een rendement van 40% belooft en een eenlaagscel met een variabele ‘bandkloof’.

Die tweede ontwikkeling lijkt fundamenteel van aard.  Dit Amerikaanse onderzoek houdt de belofte in van een rendabeler en goedkoper te produceren zonnecel. Of dat ook gebeurt zal de keiharde praktijk moeten bewijzen. Nu bestaan zonnecellen nog uit twee lagen. Maak er een van en alles wordt een stuk makkelijker, beter en goedkoper, dachten Andrew Rappe en Ilja Grinberg van de universiteit van Pennsylvanië.
Dat behoeft enige uitleg.
Zoals gezegd bestaan gewone zonnecellen uit twee lagen. Dat is nodig voor het richten van de stroom elektronen, die worden ‘losgeslagen’ door het (zichtbare) licht van de zon. Als een elektron eenmaal de grens oversteekt tussen het materiaal waar het licht wordt geabsorbeerd naar de laag die de stroom geleidt, kan het niet meer terug.

“Er zijn echter materialen, waarbij, als je er licht op schijnt, de elektronen een bepaalde richting op bewegen, zonder van het ene naar het andere materiaal te hoeven overstappen”, zegt Rappe. “Wij noemen dat het massafotovoltaïsch effect. Dat is al sedert de jaren ’70 bekend, maar we maken er geen zonnecellen van, omdat dat effect alleen werkt met ultraviolet licht en de meeste energie van de zon zit in het zichtbare en infraroodlicht.”
Dus moest hij op zoek naar materiaal dat de goede eigenschap heeft voor zichtbaar licht. Dat zou meteen een ander rendementsprobleem oplossen, dat nu onvervreemdbaar kleeft aan het dubbellaagssysteem: de zogeheten Shockley-Queisser-limiet. Die geeft aan dat er een grens is aan het rendement van een tweelaagszonnecel. Dat heeft te maken met de ‘sprong’ die een elektron moet maken als dat van het ene naar het andere materiaal gaat. Dat heeft met de bandkloof  van het lichtabsorberende materiaal te maken. Die bepaalt welk deel van het spectrum het efficiëntst wordt opgevangen. “Vergelijk die verschillende frekwenties met munten”, legt Rappe uit. “Dubbeltjes, kwartjes en zilveren dollars. Als je een bandkloof hebt die geschikt is voor dubbeltjes, dan pakt ie ook de kwartjes en dollars, maar die hebben dan nog maar de waarde van 10 cent. Als je alleen ‘dollars’ vangt, dan vang je per foton meer energie, maar in het totaal veel minder dan bij de dubbeltjes.” Ziedaar het dilemma.
Nu nog dat materiaal, want geen van de bekende materialen vertoonde het genoemde bulkeffect bij zichtbaar licht. Dus wendden de onderzoekers zich tot materiaalkundigen met het verzoek zo’n materiaal te maken. Daarbij was het de truc om materiaal te vinden of te fabriceren dat zijn polaire eigenschappen (dwz dat elektronen een bepaalde kant op bewegen) behoudt, terwijl het tegelijkertijd zichtbaar licht absorbeert. Wat rekenwerk wees in de richting van nieuwe familie van materialen. Uiteindelijk kwamen de onderzoekers uit op een zogeheten  perovskiet-kristal.

De eenlaagszonnecel van Andrew Rappe met zijn perovskiet-kristallen (foto: univ.v.Penns.)

De meeste lichtabsor-berende materialen hebben een symmetrische kristalstructuur in alle richtingen. Dat maakt ze niet-polair. Een perovskiet-kristal heeft dezelfde kubische structuur als metalen, maar binnen elke kubus zit een achtvlak met op de hoekpunten zuurstofatomen. Dat geeft ‘richting’ aan de elektronen en maakt het materiaal polair (ook wel ferro-elektrisch genoemd). “Het lijkt erg ingewikkeld”, zegt Rappe”, “maar dat komt altijd voor als je een verbinding van twee metalen en zuurstof hebt. Dat hoefden we niet zelf te maken.”
Na een serie mislukkingen kwamen de onderzoekers op een combinatie van kaliumniobaat (een oxide van kalium en niobium) als polair materiaal en lichtvanger en bariumnikkelniobaat (een oxide van barium, nikkel en niobium) voor de aanpassing van de bandkloof. In formule  [KNbO₃]_1 − x[BaNi_1/2Nb1/2O_3 − δ]_x. Door met het laatste ingrediënt te spelen, is de bandkloof te variëren. Dat is natuurlijk voor een zonnecelmaker een fijne eigenschap. De bandkloof van het kaliumniobaat ligt in het ultraviolet. Door daar 10% bariumnikkelniobaat aan toe te voegen verschuift het bruikbare spectrum naar het zichtbare licht.

Met zo’n zonnecel ben je dus van die ellendige Shockley-Queisser-limiet af. Daar kun je ook van af komen door diverse cellen te stapelen met elk een andere bandkloof, maar daarmee worden zonnecellen veel ingewikkelder en ook lastiger te maken en daarmee dus duur. “De groep materialen die wij maken, dekt het hele zonnespectrum af”, zegt Rappe. “Dus kunnen we bij het opbrengen langzaam de samanstelling veranderen en daarmee de bandkloof met hetzelfde resultaat als een meerslaagszonnecel. Daar komt bij dat deze materialen goedkoop zijn, niet giftig en ruime op aarde voorhanden zijn in afwijking van materialen die voor de efficiënte dunnelaagzonneceltechniek worden gebruikt.”

Infrarood vangen

Het tweede systeem gaat om het uitbreiden van het spectrum dat elektrische stroom veroorzaakt in zonnecellen. Normaal is dat alleen zichtbaar licht uit het zonnespectrum, maar met infrarood er bij zou het rendement aanzienlijk worden opgeschroefd. Probleem is alleen dat de zonnecellen dat infrarood niet ‘zien’. Het Fraunhofer-instituut voor zonne-energie (ISE) in Duitsland heeft daar een oplossing voor bedacht: gebruik frekwentie-omvormers.
Zonnecellen zijn aan de achterkant voorzien van een metaallaag voor het afvoeren van de door het licht ‘losgeslagen’ elektronen. Voor hun ideeën konden de Duitse onderzoekers die metaallaag niet gebruiken (overigens werkte het ISE samen met de universiteit van Bern en de Schotse Heriot-Watt-universiteit). Ze voorzagen de zonnecellen aan de voor- en achterkant met stalen roosters voor de af te voeren elektronen. Aan de achterkant werd een frekwentie-omvormer geplaatst, die de infraroodfrekwenties omzette in hogere, zichtbare frekwenties. “We zijn er in geslaagd de zonnecellen en de frekwentieomzetter zo aan te passen, dat we de grootste rendementsstijging voor zonnecellen hebben behaald tot nu toe”, zegt  Stefan Fischer van ISE. Het huidige maximum van rond de 30% zou met de ISE-truc tot zo’n 40% stijgen.
In het systeem van het ISE valt het zonlicht op de cel. Het zichtbare licht doet zijn werk, maar het infraroodlicht gaat zonder elektrisch effect door het silicium van de zonnecel. Aan de achterkant valt het ir-licht op de frekwentieomvormer – in feite een mikrokristallijn poeder van natriumyttriumfluoride met erbium-dotering ingebed in een polymeer, waar het licht uit het (nabije) infrarood wordt omgezet in zichtbaar licht. Dat zichtbare licht gaat weer door de zonnecel en wordt daar nu wel geabsorbeerd, met een rendementsstijging tot gevolg. De zonnecellen zijn ook tweezijdig bruikbaar. De voor- en achterkant zijn voorzien van een antispiegelende laag, waardoor de cellen zo veel mogelijk licht opvangen.

Bronnen: Alpha Galileo, Science Daily