Door een lichtdeeltje met hoge energie te splitsen in twee deeltjes met lagere energie, maakt singlet-splijting hoog-energetische fotonen beschikbaar voor zonnecellen.
Aangezien zonnecellen gebaseerd op silicium hun rendementslimiet bijna hebben bereikt, zoeken wetenschappers wereldwijd naar alternatieve technologieën om het rendement van zonnecellen verder te verbeteren. Natuurkundigen van AMOLF en de Universiteit van Cambridge hebben met theoretische modellen een vergelijking gemaakt van twee veelbelovende technologieën: foton-vermenigvuldiging via singlet-splijting en tandem zonnecellen. Hoewel deze technologieën potentieel nagenoeg evenveel rendementsverbetering opleveren, blijkt singlet-splijting stabieler bij variaties in de weersomstandigheden. Daarnaast zijn voor singlet-splijting geen aanpassingen aan de siliciumtechnologie nodig, waardoor het zelfs kan worden gebruikt om bestaande zonnecellen te verbeteren. De onderzoekers publiceren hun bevindingen op 3 oktober 2018 in ACS Energy Letters.
De laatste twintig jaar is het rendement van de beste in het laboratorium gemaakte silicium zonnecellen niet meer dan twee procent verbeterd en het zal erg moeilijk zijn om de technologie nog verder te optimaliseren. De belangrijkste reden daarvoor is dat conventionele zonnecellen een groot deel van het zonlicht niet kunnen gebruiken. Met siliciumtechnologie is het simpelweg onmogelijk om al het zonlicht in elektrische energie om te zetten, omdat silicium slechts delen van het zonnespectrum absorbeert. Fotonen met een hoge energie uit het blauwe deel van het spectrum worden niet efficiënt omgezet maar genereren ongewenste warmte in de zonnecel.
Alternatieve strategieën
Op AMOLF bestudeert de Hybrid Solar Cells groep van Bruno Ehrler de eigenschapen van organische halfgeleiders met als doel de beperkingen van anorganische (silicium) zonnecellen te omzeilen. “Er zijn twee veelbelovende strategieën die zonnecellen enorm kunnen verbeteren”, zegt promovendus Moritz Futscher. “De eerste, tandem zonnecellen gebaseerd op hybrides van perovskiet en silicium, krijgt veel aandacht en wordt uitgebreid bestudeerd door wetenschappers in de hele wereld. Wij doen ook onderzoek naar perovskiet, maar we zijn tevens één van de weinige groepen die singlet-splijting onderzoeken.”
De energie van fotonen veranderen
Singlet-splijting is een proces dat enkel plaatsvindt in organische halfgeleiders. Na absorptie van een foton met hoge energie, ontstaat een hoog-energetisch deeltje, een singlet exciton. Dit deeltje splitst zich in twee triplet excitons, met ongeveer de helft van de energie per stuk. “Met dit principe kun je uit elk hoog-energetisch foton twee fotonen met lagere energie creëren, die vervolgens worden uitgezonden naar een onderliggende zonnecel via quantumdots, piepkleine deeltjes gemaakt van halfgeleiders”, legt Futscher uit. “Op deze manier werkt singlet-splijting als foton-vermenigvuldiger.”
Theoretische vergelijking
Futscher en zijn collega’s vergeleken zonnecellen met singlet-splijting en silicium met tandem zonnecellen met perovskiet en silicium middels een theoretisch model, waarbij ze realistische omstandigheden gebruikten. “We weten dat tandem zonnecellen erg goed werken in zonnige gebieden, maar dat ze onder variabele weersomstandigheden veel minder goed presteren. Daarom hebben we het weer en het zonnespectrum meegenomen in onze vergelijking”, zegt Futscher. “We ontdekten dat singlet fission in staat is om de beste silicium zonnecellen evenveel te verbeteren als met tandem zonnecellen mogelijk is. Daarnaast zagen we dat singlet fission ook bij veranderende weersomstandigheden een stabiele rendementsverbetering oplevert.”
Eenvoudige upgrade
Dat zonnecellen met singlet-splijting potentieel even goed zijn als tandem zonnecellen – en onder sommige omstandigheden zelfs beter – maken ze tot een interessant alternatief. “Deze fotonenvermenigvuldigers zijn eenvoudig te maken. Het is in feite een dunne plastic folie die bovenop een zonnecel geplaatst kan worden. De technologie van de zonnecel zelf hoeft niet te worden aangepast”, zegt Futscher. “Hoewel de resultaten het best zijn voor de nieuwste state-of-the-art zonnecellen, zou zo’n folie zelfs de prestaties van bestaande zonnecellen kunnen verbeteren, vooral in de wisselende weersomstandigheden die we in Nederland hebben.”
Bijschrift illustratie
De singlet-splijting fotonenvermenigvuldiger zet hoog-energetische fotonen om in twee laag-energetische die door een zonnecel efficiënt in elektrische energie kunnen worden omgezet. Zonder singlet-splijting zou het hoog-energetische licht een groot deel van zijn energie verliezen aan warmte. Credits illustratie: Henk-Jan Boluijt
Referentie
Moritz Hieronymus Futscher, Akshay Rao, and Bruno Ehrler, The Potential of Singlet Fission Photon Multipliers as an Alternative to Silicon-based Tandem Solar Cells,
ACS Energy Lett (september 26,2018) | DOI: 10.1021/acsenergylett.8b01322
