Pilaartjes verdubbelen efficiëntie zonnecellen

Zonnecellen zijn doorgaans plat. Door het oppervlak echter te voorzien van minuscule pilaartjes van silicium kun je per oppervlak meer dan twee keer zoveel energie produceren. Dat blijkt uit onderzoek van wetenschappers van UT-onderzoeksinstituut MESA+. In een artikel, dat recent is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Energy Materials, laten ze zien wat de optimale hoogte en ‘doteringsdiepte’ van de pilaartjes is.

Afgelopen jaar slaagden de UT-onderzoekers er al in om een halfgeleider te creëren die voorzien is van een miljoen minuscule pilaartjes per vierkante centimeter. Deze pilaartjes kunnen zonlicht omzetten naar elektriciteit. De halfgeleider bestaat uit twee soorten silicium: de ene is ‘vervuild’ met het element boor en de andere met fosfor. De overgang tussen beide soorten silicium, de zogenaamde PN-junctie, is essentieel voor de efficiëntie van de zonnecel, omdat op deze plaats in de structuur de positieve en de negatieve lading worden gescheiden. Uitdaging bij het creëren van de pilaartjes was zorgen dat de PN-junctie zo goed mogelijk de structuur van het oppervlak volgt.

In een nieuwe studie hebben dezelfde wetenschappers onderzocht bij welke hoogte van de pilaartjes en bij welke diepte van de PN-junctie de halfgeleider het meest efficiënt is. Bij een pilaarhoogte van 40 micrometer en een PN-junctie van 790 nanometer diep was de efficiëntie het hoogst: 13 procent. Het gaat om meer dan een verdubbeling van de efficiëntie ten opzichte van een platte structuur, waarmee maximaal 6 procent van het zonlicht ongezet kan worden naar elektriciteit.

Het onderzoek maakt onderdeel uit van een groot onderzoeksproject waarin diverse onderzoeksgroepen van de Universiteit Twente samenwerken aan een solar to fuel-apparaat. Hiermee kun je zonlicht rechtstreeks omzetten naar een brandstof zoals waterstofgas. Hierbij hebben de pilaartjes twee functies: ze vergroten niet alleen de hoeveelheid zonlicht die kan worden opgevangen, ze vergroten ook het reactieoppervlak waarop waterstof geproduceerd kan worden.

Verder kunnen de pilaartjes ingezet worden om zonnecellen efficiënter te maken. UT-hoogleraar prof. dr. ir. Jurriaan Huskens verwacht echter - in verband met hogere productiekosten - dat dit niet interessant zal zijn voor reguliere zonnepanelen. Maar voor specifieke toepassingen kan deze technologie ook hier interessant zijn.

Het onderzoek is uitgevoerd door wetenschappers van de MESA+-vakgroepen Molecular Nanofabrication en Mesoscale Chemical Systems. Eerste onderzoeker is Rick Elbersen. Hij promoveerde op 4 december aan de Universiteit Twente op een proefschrift waarin hij het gebruik van silicium als basismateriaal voor het structureren van zonnecellen en de optimalisatie en modificatie van deze materialen beschrijft. Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM).