Paul van Gerven
9 December 2013

Een theoretische studie van MIT suggereert dat een hybride thermisch en fotovoltaïsch systeem zo’n 73 procent van het zonlicht kan omzetten in elektriciteit. Toegepast op silicium zou dit thermofotovoltaïsche (TPV) systeem een rendement van 45 procent moeten halen.

Een traditionele zonnecel kent verschillende beperkingen: fotonen met een energie lager dan de bandgap worden niet geabsorbeerd, de energie die overschiet als fotonen de bandgap oversteken gaat verloren als warmte en gegenereerde elektron-gatparen recombineren zonder aan de zonnestroom bij te dragen. Het maximaal haalbare rendement bedraagt daarom 33 procent. Deze Shockley-Queisser-limiet geldt voor single-junction-zonnecellen zonder lichtconcentrerende lenzen.

Door genoemde beperkingen te adresseren, valt de S-Q-limiet echter te omzeilen. Een bekend voorbeeld is om zonnecellen met verschillende bandgap op elkaar te stapelen, zodat meer van het invallende spectrum wordt benut. Nog in de researchfase zijn nanomaterialen die over eigenschappen beschikken die bulkmaterialen niet hebben, zoals het kunnen genereren van meerdere elektron-gatparen uit één foton.

Het is ook mogelijk fotonen elektronisch of thermisch ‘op te warmen’, dat wil zeggen laag-energetische fotonen om te zetten in hoger-energetische, zodat ze alsnog kunnen worden gebruikt. Dit soort methodes kennen echter een laag rendement en zijn meestal ook niet erg praktisch.

De onderzoekers van MIT hebben nu een TPV-systeem uitgedokterd waarin de materialen en hun oppervlakken dusdanig op elkaar zijn afgestemd dat de rendementswinst wel de moeite waard is. Het systeem bestaat uit een up-converter die laagenergetische fotonen opwarmt en weer uitzendt met optimale energie voor de onderliggende zonnecel. Het kunnen afstemmen van deze energie en deze effectief op het PV-oppervlak richten is wat in de praktijk de grootste uitdaging zal vormen, maar recent onderzoek wijst uit dat het mogelijk is, suggereren de auteurs.