Een team van internationale wetenschappers heeft een belangrijke mijlpaal bereikt in de zonnetechnologie, door een methode te demonstreren om een kwantumopbrengst van 130% te bereiken. Hoewel dit niet betekent dat een zonnepaneel 130% van het zonlicht omzet in elektriciteit, vertegenwoordigt het wel een fundamentele doorbraak in de manier waarop energie op subatomair niveau wordt geoogst.
De doorbraak van “130%” begrijpen
Om deze prestatie te begrijpen, moet men onderscheid maken tussen totale paneelefficiëntie en kwantumopbrengst.
Standaardzonnecellen worden beperkt door de Shockley-Queisser-limiet, een theoretisch plafond dat de efficiëntie van zonnecellen met één junctie beperkt tot ongeveer 33%. Een groot deel van de energie uit zonlicht gaat verloren als warmte, omdat de cellen niet elk foton dat hen raakt efficiënt kunnen verwerken.
Het nieuwe onderzoek pakt dit aan door zich te concentreren op hoeveel “excitonen” (energiepakketten) worden geproduceerd per geabsorbeerd foton:
– Standaardproces: Eén foton absorbeerde $\rightarrow$ één geproduceerd exciton (100% opbrengst).
– Deze doorbraak: Eén foton absorbeerde $\rightarrow$ twee geproduceerde excitonen (130% opbrengst ).
Door de energie van één hoogenergetisch foton in twee afzonderlijke energiedragers te splitsen, vinden de onderzoekers een manier om de traditionele efficiëntieknelpunten te omzeilen die ervoor zorgen dat energie als warmte wordt verspild.
De wetenschap: singletsplijting en molybdeen
Het onderzoek is gebaseerd op een proces dat singletsplijting wordt genoemd. Hierbij worden specifieke materialen gebruikt om de energie die uit licht wordt geoogst te vermenigvuldigen. Het team gebruikte twee belangrijke componenten om dit te laten werken:
- Tetraceen: Een organisch molecuul dat wordt gebruikt als ‘splitsmateriaal’. Dankzij de moleculaire structuur kan het een enkel hoogenergetisch foton opsplitsen in twee pakketten met een lagere energie door middel van elektronenexcitatie.
- Molybdeen: Een metaalachtig element dat wordt gebruikt om een al lang bestaand probleem in de zonnefysica op te lossen.
Historisch gezien was singletsplijting moeilijk te implementeren omdat de nieuw gecreëerde energie (de excitonen) vaak verdwijnt of door andere processen wordt “gestolen” voordat deze kan worden gebruikt. Door molybdeen met tetraceen te mengen, creëerde het team een ‘valstrik’. Het molybdeen fungeert als een spin-flip-emitter, die de vermenigvuldigde energie opvangt en lang genoeg vasthoudt om in een bruikbare staat te worden omgezet.
“We hadden een energieacceptor nodig die selectief de vermenigvuldigde triplet-excitonen na splijting opvangt”, legt chemicus Yoichi Sasaki van de Kyushu Universiteit uit.
Van het laboratorium naar de echte wereld
Hoewel de resultaten wetenschappelijk baanbrekend zijn, wordt de overgang van een laboratoriumsucces naar een commercieel product met verschillende hindernissen geconfronteerd:
- Staat van het materiaal: Het huidige experiment maakt gebruik van een vloeibare oplossing. Voor praktisch gebruik moet dit omgezet worden naar een stabiele, stevige vorm die geïntegreerd kan worden in duurzame zonnepanelen.
- Energiebehoud: Onderzoekers moeten het ‘vervalproces’ nog steeds perfectioneren en ervoor zorgen dat de molybdeencomplexen de energie lang genoeg vasthouden om effectief te kunnen worden geoogst voor elektriciteit.
- Schaalbaarheid: De overstap van gecontroleerde laboratoriumomgevingen naar in massa geproduceerde zonnepanelen blijft een aanzienlijke technische uitdaging.
Waarom dit belangrijk is voor de toekomst
Het vermogen om de huidige efficiëntielimieten te overschrijden zou het landschap van hernieuwbare energie fundamenteel kunnen transformeren. Als zonnepanelen meer elektriciteit kunnen produceren uit dezelfde hoeveelheid zonlicht, dalen de kosten van zonne-energie en neemt de voetafdruk die nodig is voor enorme zonneparken af.
Terwijl de wereld de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen probeert te verminderen om de klimaatverandering te bestrijden, worden technologieën die de kracht van elk foton versterken essentiële instrumenten in de transitie naar een duurzaam energienetwerk.
Conclusie
Door met succes singletsplijting te gebruiken om meer energiedragers te genereren dan er binnenkomende fotonen zijn, hebben onderzoekers een haalbare blauwdruk opgeleverd om de theoretische grenzen van moderne zonnecellen te overschrijden. Hoewel commerciële toepassing een toekomstig doel blijft, markeert dit proof-of-concept een belangrijke stap in de richting van zeer efficiënte zonnetechnologie van de volgende generatie.
