Nanozonnecellen begrijpen

Onderzoekers uit de Nanoscale Solar Cells groep ontwikkelden samen met de Technische Universiteit Eindhoven een theorie plus experimentele methode waarmee zij voor het eerst in detail laten zien hoe een nanozonnecel werkt. Dit was vanwege het formaat van deze zonnecellen tot nu toe een probleem. Met de nieuwe techniek komt de toepassing van nanotechnologie in duurzame energievoorziening dichterbij. De onderzoekers publiceerden hun resultaten op 12 september 2016 in een artikel in Nature Nanotechnology.

Nanozonnecellen
Over de werking van zonnecellen gebaseerd op nanotechnologie was tot nu toe weinig bekend. Deze nanozonnecellen gedragen zich volgens andere wetten dan de zonnecellen op ons dak, en laten zich door hun geringe afmeting ook lastig onderzoeken. Ze zijn zo klein dat doorsnee apparatuur om metingen te doen onbruikbaar is. AMOLF-promovendus Sander Mann legt uit: “Wat we willen weten over een zonnecel is bijvoorbeeld hoeveel stroom er uit de zonnecel komt als je er rood of blauw licht op schijnt. Ieder keer dat een onderzoeker zo’n meting deed bij de nanozonnecellen kwam er veel meer stroom uit dan volgens bestaande theorieën over zonnecellen mogelijk is.”

Grote schaduw door golven
“Als een structuur zo klein wordt als de golflengte van licht, dan gaat het licht dat op de structuur valt zich op een heel andere manier gedragen”, legt Mann uit. “Wij zijn gewend dat licht zich als een bundel deeltjes gedraagt, maar op de nanoschaal gedraagt het zich als een golf.” Het gevolg is dat nanozonnecellen in vergelijking met doorsnee zonnecellen veel meer licht absorberen dan je zou verwachten op basis van hun afmetingen, en ze krijgen een schaduw die zelfs veel groter is dan hun oppervlak. “Dat verklaart ook waarom er meer stroom uit zo’n zonnecel kan komen dan je zou verwachten”, zegt Mann. In hun artikel formuleren de wetenschappers een theorie die de golfachtige natuur van het licht combineert met de bestaande theorieën over de werking van een zonnecel.

Experimenten met nanozonnecellen
Vervolgens is de theorie experimenteel getest op een zonnecel van een enkele nanodraad. Deze heeft een oppervlakte zo klein dat er bijna een miljard van op een postzegel passen. Om van die enkele nanodraad de absorptie te kunnen meten hebben de onderzoekers een nieuwe experimentele techniek ontwikkeld. “Absorptiemetingen op nanostructuren lukten voorheen niet omdat die structuren niet alleen veel licht absorberen, ze verstrooien ook veel licht in bijna alle richtingen” legt Mann uit. “Met behulp van een zogeheten ‘integrerende bol’ om de opstelling heen kunnen we nu ook dat verstrooide licht detecteren, en daardoor weten we precies hoeveel de nanozonnecel geabsorbeerd heeft.” Op basis van deze nieuwe informatie kan veel meer gezegd worden over de kwaliteit van de nanozonnecel, en ook over hoe hij in de toekomst verbeterd kan worden.

Referentie
S.A. Mann, S.Z. Oener, A. Cavalli, J.E.M. Haverkort, E.P.A.M. Bakkers, en E.C. Garnett, “Quantifying losses and thermodynamic limits in nanophotonic solar cells“, Nature Nanotechnology, 2016 | DOI: 10.1038/nnano.2016.162

Foto: De nanodraad zonnecel (links) heeft slechts een grootte van 0.4 x 10 micrometer (miljoenste van een meter). Om precies te kunnen meten hoeveel licht deze zonnecel absorbeert is een opstelling nodig die al het licht dat de nanodraad niet absorbeert, juist wel detecteert. Daarvoor hebben de onderzoekers een nieuwe techniek ontwikkeld, waarin een ‘integrerende bol’ al het niet-geabsorbeerde licht detecteert (rechts, de integrerende bol is maar voor de helft te zien).