Kleine 3D-structuren verbeteren de efficiëntie van zonnecellen

Een nieuwe methode voor het bouwen van speciale zonnecellen zou hun efficiëntie aanzienlijk kunnen verhogen. De cellen zijn niet alleen opgebouwd uit dunne laagjes, ze bestaan ​​ook uit specifiek gerangschikte nanoblokken. Dit is aangetoond in een nieuwe studie van een internationaal onderzoeksteam onder leiding van de Martin Luther University Halle-Wittenberg (MLU), die werd gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Nano Letters.

Commercieel verkrijgbare zonnecellen zijn meestal gemaakt van silicium. “Op basis van de eigenschappen van silicium is het niet haalbaar om te zeggen dat hun efficiëntie voor onbepaalde tijd kan worden verhoogd”, zegt Dr. Akash Bhatnagar, een natuurkundige van het Center for Innovation Competence (ZIK) “SiLi-nano” bij MLU. Zijn onderzoeksteam bestudeert daarom het zogenaamde afwijkende fotovoltaïsche effect dat in bepaalde materialen optreedt. Het afwijkende fotovoltaïsche effect vereist geen pn-overgang die anders de stroom in siliciumzonnecellen mogelijk maakt. De richting van de stroom wordt op atomair niveau bepaald door de asymmetrische kristalstructuur van de overeenkomstige materialen. Deze materialen zijn meestal oxiden, die enkele cruciale voordelen hebben: ze zijn gemakkelijker te vervaardigen en aanzienlijk duurzamer. Ze nemen echter vaak niet veel zonlicht op en hebben een zeer hoge elektrische weerstand. “Om deze materialen en hun effect te gebruiken, zijn creatieve celarchitecturen nodig die de voordelen versterken en de nadelen compenseren”, legt Lutz Mühlenbein uit, hoofdauteur van de studie.

In hun nieuwe studie introduceerden de natuurkundigen een nieuwe celarchitectuur, een zogenaamde nanocomposiet. Ze werden ondersteund door teams van de Bergakademie Freiberg, het Leibniz Institute of Surface Modification in Leipzig en Banaras Hindu University in India. In hun experiment stapelden de onderzoekers enkele lagen van een typisch materiaal van slechts enkele nanometers dik op elkaar en verschoven ze met loodrecht lopende nikkeloxidestroken. “De strips fungeren als een snelle baan voor de elektronen die worden gegenereerd wanneer zonlicht wordt omgezet in elektriciteit en die bedoeld zijn om de elektrode in de zonnecel te bereiken”, legt Bhatnagar uit. Dit is precies het transport dat anders zou worden belemmerd doordat de elektronen elke afzonderlijke horizontale laag moeten doorkruisen.

De nieuwe architectuur verhoogde de elektrische output van de cel zelfs met een factor vijf. Een ander voordeel van de nieuwe methode is dat deze zeer eenvoudig te implementeren is. “Het materiaal vormt op zichzelf deze gewenste structuur. Er zijn geen extreme externe omstandigheden nodig om het in deze staat te forceren”, zegt Mühlenbein. Het idee, waarvoor de onderzoekers nu een eerste haalbaarheidsstudie hebben gedaan, zou ook op andere materialen dan nikkeloxide kunnen worden toegepast. Vervolgonderzoek moet nu onderzoeken of en hoe dergelijke zonnecellen op industriële schaal kunnen worden geproduceerd.