Zonnecellen zetten driekwart van de zonne-energie om in elektrische energie. De infraroodstralen (warmtestralen) gaan echter ongebruikt verloren. Bij zonnecellen van zwart silicium is het anders: deze gebruiken ook het infrarode deel van het zonnespectrum. Onderzoekers van de Fraunhofer-projectgroep Faseroptische Sensorsysteme van hetFraunhofer-Institut für Nachrichtentechnik, Heinrich-Hertz-Institut (HHI) konden het rendement van deze cellen nu verdubbelen. Wat zit er achter dit materiaal?
Zwart silicium ontstaat als men het gebruikelijke silicium in een zwavel atmosfeer met een femto-secondenlaser bestraalt. De oppervlakte wordt opgeruwd, er worden losse zwavelatomen in het siliciumrooster ingebouwd en het materiaal lijkt zwart. Zou men zonnecellen met dit zwart silicium uitrusten, dan zou het rendement beduidend hoger zijn omdat ze het complete zonnespectrum benutten.
Het is onderzoekers van het HHI gelukt om het rendement van zonnecellen van zwarte silicium te verdubbelen, dus meer energie uit het infrarode deel van het zonlicht te produceren. Dat hebben ze bereikt door de pulsvorm van de laser waarmee ze het silicium bestralen, te veranderen. De wetenschappers konden op deze manier een probleem oplossen, dat zwart silicium met zich meebrengt.
Geleidende band
Infrarood licht heeft bij normaal silicium niet genoeg energie om elektronen in de geleidende band aan te stoten en daarmee in de stroomkringloop te brengen. Het ingebouwde zwavel bij zwart silicium zorgt voor een soort tussenstap. Deze maakt het alleen mogelijk dat elektronen in de geleidende band kunnen komen, maar ook de omgekeerde weg kunnen volgen. Elektronen uit de geleidende band springen via deze tussen trap weer terug en de elektrische energie gaat weer verloren.
Veranderen de onderzoekers de laserpulsen, die de zwavelatomen in het siliciumrooster aanbrengen, dan veranderen ze ook de plaatsen die deze atomen daar innemen en de hoogte van de tussentrap, dus hun energieniveau. Ze hebben het ingebouwde zwavel met behulp van laserfotonen zodanig veranderd, dat zoveel mogelijk elektronen omhoog kunnen maar zomin mogelijk weer omlaag gaan.
Volgende stappen
In de eerste stap hebben de wetenschappers de laserpulsen veranderd en onderzocht hoe de materiaaleigenschappen van zwart silicium en het rendement van de zonnecellen uit dit materiaal veranderen. Nu werken ze verder en gebruiken diverse laserpulsen om te analyseren hoe de energieniveaus van het zwavel veranderen. Op termijn moet een systeem van algoritmes automatisch uitzoeken, hoe de laserpuls moet worden veranderd om het optimale rendement te bereiken.
De onderzoeker konden al prototypes van het zwarte silicium in zonnecellen vervaardigen. In een volgende stap willen ze deze cellen koppelen aan commerciële technologie. Ze hopen het rendement van commerciële zonnecellen, die momenteel ongeveer 17% bedraagt, circa 1% te kunnen verhogen door ze met zwart silicium te combineren.
Uitgangspunt moet een commerciële zonnecel zijn, waarbij de experts de achterkant hebben verwijderd en gedeeltelijk bezetten met zwart silicium. Daarmee ontstaat een tandem zonnecel, die normaal en zwart silicium bevat. Bovendien plannen de wetenschappers een spin-off die de laserinstallatie op de markt moeten brengen waarmee producenten een bestaande zonnecel lijnen kunnen uitbreiden. Ze zijn dan in staat om zwart silicium zelf te produceren en in serie in de cellen in te bouwen.
