Light management leidt tot ultra-efficiënte zonnecellen

Lang is gedacht dat het rendement van zonnecellen niet hoger kon zijn dan 34 procent. Een thermodynamische limiet is verantwoordelijk voor deze praktische beperking. Door echter het licht in de zonnecel op een slimme manier te managen is een rendement van 70 procent haalbaar. Hoe deze spectaculaire toename mogelijk is beschrijven prof.dr. Albert Polman, directeur van het FOM-instituut AMOLF, en zijn collega prof.dr. Harry Atwater van het California Institute of Technology in een commentary artikel in het tijdschrift Nature Materials.

Een zonnecel zet zonlicht om in elektrische stroom. Dat is echter geen efficiënt proces: in een conventionele zonnecel van silicium gaat een groot deel van de energie van het licht verloren. Blauw en groen licht worden voor minder dan de helft in stroom omgezet en infrarood licht van de zon wordt zelfs helemaal niet door de zonnecel geabsorbeerd. Het hoogst gerealiseerde rendement door een silicium zonnecel is slechts 27 procent.

Figuur 1 (a-d) Light management structuren op een zonnecel verhogen het rendement.
Figuur 2 (a,b) Een spectrum splitting structuur stuurt de verschillende kleuren van de zon naar de bijpassende zonnecel.

Licht dat niet in de zonnecel wordt omgezet leidt tot thermodynamische wanorde in de zonnecel en daarmee tot een verlaging van de elektrische spanning. Het maximaal haalbare rendement, de zogenaamde Shockley-Queisser limiet, blijft daarom steken op 34 procent. Ook het inefficiënt opsluiten van licht en defecten in het kristallijne zonnecelmateriaal zorgen voor energieverlies.

Uitgekiende nanostructuren
Door het licht in de zonnecel op een slimmere manier te managen is het mogelijk een groot deel van deze problemen op te lossen. Met uitgekiende, op de zonnecel geprinte nanostructuren kan het licht beter worden opgesloten. Daarbij voorkomt het gebruik van superschone halfgeleiders ook de problemen met defecten. Polman en Atwater beschrijven in hun artikel een aantal recepten waarmee de verbeteringen te verwezenlijken zijn.

Albert Polman: “De zonnecelwereld is erg conservatief. Men gaat er van uit dat alleen extreem simpele zonnecellen goedkoop te fabriceren zijn. Maar als je een rendement van meer dan vijftig procent kunt halen, dan mag een zonnecel ook wat kosten. Met zonnepanelen met een hoger rendement heb je veel minder ruimte nodig voor installatie, omdat je er minder nodig hebt om hetzelfde rendement te bereiken. Dat scheelt kosten van de grond, de installatie en de infrastructuur. Met een iets complexere zonnecel wordt het mogelijk alle kleuren van de zon efficiënt in stroom om te zetten. Een rendement van zeventig procent is haalbaar.”