Een zonnecel uit één stuk

Reading time: 2 minutes

Author:

Onderzoekers van Pennsylvania University en Drexel University hebben een zonnecel gemaakt van een bulkmateriaal, dus zonder de bekende p-n-overgang. Door kaliumniobaat met bariumnikkelniobaat te mengen, verkregen de Amerikanen een materiaal met een bandgap van 1,1 tot 3,8 elektronvolt, afhankelijk van de mengverhouding. Dat schrijven zij in Nature.

Het is al sinds de jaren zeventig bekend dat sommige ferro-elektrische materialen een zonnestroom kunnen genereren zonder p- en n-gedoteerde materialen op elkaar te stapelen. Deze bijzondere klasse verbindingen leek echter van weinig praktisch nut voor zonnepanelen, omdat ze zonder uitzondering een te grote bandgap hebben om voldoende zonlicht te absorberen. De ideale bandgap voor conventionele zonnecellen is 1,4 elektronvolt. Het veelgebruikte silicium heeft er eentje van 1,1 elektronvolt.

Een theoretische verkenning van de onderzoekers wees uit dat sommige mengsels van materialen een kleinere bandgap zouden moeten hebben, zonder de atomaire ordening te verliezen die verantwoordelijk is voor het bulkfotovoltaïsch effect. In de praktijk verkregen zij de beste resultaten door bariumnikkelniobaat toe te voegen aan kaliumbiobaat. De bandgap van de mix bewoog met de mengverhouding mee van 3,8 elektronvolt bij nul procent bariumnikkelniobaat tot 1,1 elektronvolt bij vijftig procent.

Het feit dat de bandgap zo eenvoudig regelbaar is, maakt de vondst extra interessant. Tijdens het opdampen zou de mengverhouding van de constituenten geleidelijk kunnen worden veranderd, zodat één laag van het materiaal een continu variërende bandgap krijgt die alle kleuren licht met minimaal energieverlies absorbeert.

Deze strategie is vergelijkbaar met de multi-junction-zonnecel, waarbij materialen met een verschillende bandgap op elkaar worden gestapeld. ’s Werelds beste zonnecellen worden volgens dit principe gemaakt, maar de samengestelde halfgeleiders die daarvoor worden gebruikt, zijn duur en het op elkaar afstemmen van de verschillende lagen is complex. Mogelijk dat met de niobaatmengsels op een eenvoudigere manier hoogrendementszonnecellen zijn te maken.