Een plasmonische structuur voor zonnecellen (afb: AMOLF)

Of het wat wordt is nog maar de vraag, maar het lijkt er op dat silicium als basismateriaal voor zonnecellen ernstige concurrentie krijgt. Van plasmonen. Plasmonen? Een plasmon is te beschouwen als een trilling van een vrij elektron in een metaal. Onder invloed van licht kunnen die effecten ook optreden, waardoor met licht spanningsverschillen in plasmonische materialen kunnen worden verwezenlijkt. Een concurrent voor de silicium-zonnecel, lijkt het, maar de onderzoekers denken meer aan een aanvulling op.

In 2009 bleek dat de plasmonresonantiefrekwentie is te beïnvloeden door elektronen aan metaaldeeltjes toe te voegen of te onttrekken. Recent ontdekten Albert Polman van het AMOLF in Amsterdam en Harry Atwater van Caltech (VS) dat het oppervlak van metaal kan worden opgeladen door met behulp van licht de ladingsverdelling in de metaaldeeltjes te beïnvloeden en dan komen we aardig in de buurt van een zonnecel. Polman en Atwater kregen daar beiden dit jaar de Julius Springer-prijs voor.
Polman en Atwater (plus medewerkers) maakten hun plasmonisch materiaal door gouddeeltjes te plakken op een onderlaag van indiumtinoxide. Die gouddeeltjes hadden plasmonresonantiegolflengte van 550 nm (zichtbaar licht). Ze ‘beschoten’ de deeltjes met een laser waarvan het licht regelbaar was tussen de 480 en 650 nm. Tijdens de belichting werd de elektrische potentiaal van de deeltjes gemeten met behulp van de tip van een atoomkrachtmicroscoop. Als het laserlicht dezelfde golflengte heeft  als de oppervlakteplasmonen dan ontstaat er geen spanning, beneden de 550 nm wordt het oppervlak negatief (een overmaat aan elektronen), bij grotere golflengtes positief (een tekort aan elektronen). De spanning was afhankelijk van de snelheid waarmee de lichtabsorptie veranderde ten opzichte van de lichtfrekwentie. Atwater: “Als je licht op die deeltjes schijnt zorgt het streven naar minimalisering van de vrije energie ervoor dat de ladingsdichtheid wordt aangepast om in resonantie te komen met het licht.” Hun theoretische model bleek, gelukkig maar, in overeenstemming met hun labuitkomsten. De onderzoekers keken ook nog even of die uitkomst algemeen geldig was door een ander plasmonisch materiaal te nemen: goudvelletjes met een bepaald patroon van gaatjes op glas. Ook hier vonden ze hun plasmoelektrische effect, met de positieve en negatieve pieken zoals hun model voorspelde.

Het beproefde systeem produceert een spanningsverschil als dat wordt belicht. Nu werken de onderzoekers aan een systeem dat bruikbare elektrische energie opwekt dat werkt als een zonnecel. Volgens Atwater zou zo’n systeem aanvullend zijn aan de traditionele silicium-zonnepanelen. Zijn reden daarvoor is dat bestaande zonnecellen maar een deel van het zonlicht kunnen gebruiken (dat heeft iets met de bandkloof te maken, maar dit verhaal is al ingewikkeld genoeg). “Ons systeem zou, bijvoorbeeld, gebruikt kunnen worden om ook het infrarooddeel van het zonnespectrum te benutten, omdat wij een plasmonische structuur kunnen ontwerpen met nagenoeg elke frekwentie.” Dat klinkt goed, maar ik maak me wel een beetje zorgen om het gebruikte materiaal: goud. De vraag is of zo’n plasmonisch systeem niet erg prijzig wordt.

Bron: Physics World