Zonnecellen kunnen geen hoger rendement hebben dan 34% is de algemene gedachte. Het thermodynamische limiet is verantwoordelijk voor deze praktische beperking. Door slim lichtmanagement zou echter een rendement van 70% haalbaar zijn. Zonnecellen met een hoog rendement van 70%. Hoe dit kan worden behaald wordt beschreven door AMOLF-directeur Albert Polman en zijn collega Harry Atwater van het California Institute of Technology in een commentaar in Nature Materials.
Zonnecellen zetten zonlicht om in elektrische energie. Dit gebeurt helaas niet erg efficiënt. In een gewone zonnecel gaat een groot deel van de energie van het zonlicht verloren. Blauw en groen licht worden omgezet in elektriciteit met een rendement van minder dan maximaal 50%, terwijl het infrarood licht door een zonnecel wordt genegeerd. Het hoogste rendement gerealiseerd door een silicium zonnecel is daarom slechts 27 procent. Licht dat niet wordt omgezet in de zonnecel verstoort ook nog eens het hele proces en leidt dus tot een lagere spanning. Hierdoor wordt het maximaal haalbare rendement beperkt tot 34%, de zogenaamde Shockley-Queisser beperking. Het onvolledige bereik van het zonlicht in de zonnecel en defecten, die altijd aanwezig zijn in de kristallen van de zonnecel, zorgen dus voor een verlies aan efficiëntie.
Zonnecellen met slimme nanostructuren
Door het op een slimme manier managen van het zonnelicht wordt een groot deel van deze problemen opgelost. Door gebruik te maken van speciaal ontworpen nanostructuren, gedrukt op het zonnecellen oppervlak, kan het licht beter worden opgevangen. De onderzoekers zagen dat als ze de zonnecel bedekten met verstrooiende nanodeeltjes, de silicium plak helemaal zwart werd. Het verrassende was dat het verstrooide licht voor 99 procent de silicium plak in verdween en werd opgenomen.
In hun artikel Polman en Atwater worden verschillende manieren beschreven waarmee deze verbeteringen kunnen worden gerealiseerd. Deze zijn gebaseerd op de integratie van fotonische nanostructuren en circuits op de zonnecel. De inspiratie voor sommige van deze ideeën is afkomstig uit de optische geïntegreerde schakeling technologie, waarbij de structuren routinematig worden begeleid en gecontroleerd. Albert Polman: “De zonnecel gemeenschap is zeer conservatief, vaak wordt aangenomen dat alleen uiterst eenvoudig zonnecellen kunnen worden gebruikt tegen lage kosten Maar als je een rendement weet te bereiken dat groter is dan 50% dan zijn veel hogere kosten voor de productie van de zonnecel aanvaardbaar. Deze zonnepanelen met een hoger rendement nemen veel minder ruimte in beslag, je hebt dus minder panelen nodig om dezelfde hoeveelheid stroom te produceren. Dit geeft een besparing op grond-, installatie-en infrastructuurkosten. Met een iets complexere zonnecel wordt het mogelijk om alle kleuren van het zonlicht om te zetten elektriciteit. Een rendement van 70% moet haalbaar zijn. Efficiënte energie bij jou thuis? Ga direct overstappen van energieleverancier.