Beste zonnecellen zijn goede emitters van fotonen

Een zonnecel met één p-n-overgang kan in theorie een efficiëntie bereiken van ongeveer 33,5 procent, maar geen enkele komt daarbij in de buurt. De beste poging tot nu toe was een cel van galliumarsenide (GaAs) met een rendement van 26,4 procent. Waarom wordt dat gat maar niet gedicht, vroegen onderzoekers van diverse Amerikaanse instellingen zich af en sloegen aan het rekenen. Hun verrassende conclusie: zonnecellen moeten ook goed zijn in het uitzenden van fotonen.

Zonnecelmaterialen worden doorgaans geëvalueerd op basis van hoe goed zij licht absorberen en in hoeverre gegenereerde ladingsdragers de elektrische contacten blijken. Inderdaad bepalen deze twee factoren volledig de stroomsterkte in een kortgesloten cel. Maar: het vermogen wordt bepaald door het product van stroom en spanning, en spanning hangt samen met de efficiëntie waarmee fotonen uit het materiaal worden geëmitteerd. Tot op zekere hoogte geldt dat hoe beter materialen fotonen uitzenden (externe fluorescentie heet dat), hoe hoger de spanning en dus de efficiëntie van de zonnecel kunnen oplopen.

Dit gedrag heeft te maken met de manier waarop aangeslagen ladingsdragers hun energie kwijtraken. De meeste ladingsdragers lozen hun energie via een niet-stralend proces op het kristalrooster. Deze warmte wordt natuurlijk niet meegeteld als rendement. Omdat uitzending van een foton de spanning verhoogt, draagt dat wel bij aan een hoger rendement. Idealiter zendt een zonnecel precies evenveel fotonen uit als er geabsorbeerd worden.