Extension of the Shockley-Queisser Limit for Nanostructured Solar Cells

Zonnecellen zijn de stille werkpaarden van het moderne energielandschap, die zonlicht opvangen en dit omzetten in elektriciteit via een eenvoudig fysisch principe: wanneer licht een halfgeleider raakt, worden elektronen losgestoten, wat een stroom van elektrische lading creëert. Decennialang hebben wetenschappers begrepen dat er een hard plafond is aan hoeveel zonne-energie een enkele laag materiaal kan omzetten. Deze limiet, bekend als de Shockley-Queisser-limiet, komt voort uit een fundamentele afweging. Als een materiaal wordt afgestemd op het opvangen van laag-energetisch licht, gaat het hoog-energetische deel van het spectrum verloren als warmte. Als het wordt afgestemd op het opvangen van hoog-energetisch licht, laat het de laag-energetische delen er gewoon doorheen gaan. Voor standaard siliciumcellen ligt dit theoretische plafond rond de 33 procent, terwijl de beste commerciële panelen vandaag de dag slechts ongeveer 27 procent bereiken. De kloof tussen wat mogelijk is en wat wordt bereikt, heeft onderzoekers gedreven om naar nieuwe manieren te zoeken om de regels te breken, wat hen naar de microscopische wereld van nanostructuren leidde.

In dit rijk, waar materialen worden gekrompen tot de grootte van enkele miljardsten van een meter, beginnen de gebruikelijke natuurwetten anders te werken. Wanneer een halfgeleider wordt beperkt tot zo'n minuscule ruimte, worden de elektronen gedwongen in een staat van kwantumconfinement (kwantumopsluiting). Deze beperking verandert de elektronische eigenschappen van het materiaal, waardoor de energieafstand die nodig is om licht te absorberen effectief wordt vergroot. Door de grootte en vorm van deze piepkleine structuren aan te passen, kunnen wetenschappers het materiaal theoretisch zo afstemmen dat het zonlicht efficiënter oogst dan bulkmaterialen ooit zouden kunnen. Het berekenen van de exacte mate waarin efficiëntie kan worden gewonnen in deze complexe, driedimensionale vormen, is echter een moeilijke theoretische uitdaging gebleven.

Een team onderzoekers uit Madagaskar en Frankrijk heeft nu de klassieke efficiëntiegrens uitgebreid om rekening te houden met deze genanostructureerde zonnecellen. Zij ontwikkelden een nieuw wiskundig kader dat de piepkleine structuren niet alleen behandelt als eenvoudige dozen, maar als complexe geometrieën waarbij de vorm zelf het thermodynamische gedrag van de elektronen binnenin dicteert. Met deze aanpak simuleerden zij hoe zonnecellen gemaakt van loodsulfide, een materiaal dat bekend staat om zijn potentieel in kwantumdot-toepassingen, zouden presteren als ze in de vorm van kubussen, sferen, cilinders en afgeplatte blokken zouden worden gegoten. Hun werk suggereert dat het door zorgvuldig de geometrie van deze nanostructuren te manipuleren mogelijk is om de efficiëntie ver boven de traditionele limieten te stuwen, tot niveaus die wedijveren met complexe, meerlagige zonneceltechnologieën, maar dan met een enkele, eenvoudige junctie.

De onderzoekers richtten hun simulaties op loodsulfide, een materiaal dat in zijn bulkvorm slechts ongeveer 15,8 procent van het zonlicht omzet in elektriciteit. Zij modelleerden dit materiaal in vier verschillende vormen: een kubus, een sfeer, een cilinder en een blok met een vierkante basis. Voor elke vorm varieerden zij de afmetingen terwijl zij het volume constant hielden voor sommige vergelijkingen, waardoor zij konden zien hoe de specifieke geometrie de energiestroom beïnvloedde. Zij voegden ook de effecten toe van elektronen die met elkaar interageren, een factor die in eenvoudigere modellen vaak wordt genegeerd, om ervoor te zorgen dat hun voorspellingen de rommelige realiteit van een werkend apparaat weerspiegelen. De simulaties werden op een computer uitgevoerd, waarbij gebruik werd gemaakt van nauwkeurige wiskundige reeksen om de stroom van fotonen en elektronen te berekenen zonder te vertrouwen op benaderingen die de resultaten zouden kunnen vertekenen.

De resultaten toonden een dramatische verbetering ten opzichte van het bulkmateriaal. Voor een kubusvormige nanostructuur met een zijde van 5 nanometer sprong de gesimuleerde efficiëntie naar 48,7 procent. Dit is een enorme sprong ten opzichte van de 15,8 procent van het ongecomprimeerde materiaal en aanzienlijk hoger dan de 33 procent limiet voor standaard silicium. De sfeer presteerde zelfs nog beter; een sfeer met een straal van slechts 3 nanometer bereikte een piek-efficiëntie van 49,1 procent. De onderzoekers ontdekten dat de vorm van de nanostructuur een diepgaand belang heeft. Terwijl de kubus en de sfeer een enkele, scherpe piek in prestaties vertoonden bij een specifieke kleine grootte, vertoonden de afgeplatte vormen zoals de cilinder en het blok met een vierkante basis een complexer gedrag. Wanneer het volume constant werd gehouden, produceerden deze vormen twee duidelijke pieken in efficiëntie: één wanneer de structuur zeer plat was en een andere wanneer deze matig langgerekt was. Dit suggereert dat er meerdere geometrische paden naar hoge efficiëntie zijn, en niet slechts één perfecte grootte.

Naarmate de nanostructuren groter werden, vervaagde het voordeel van kwantumconfinement. Toen de onderzoekers de grootte simuleerden die de 100 nanometer nadert, daalde de efficiëntie snel en stabiliseerde deze terug op het niveau van 15,8 procent van het bulkmateriaal. Dit bevestigt dat de hoge prestaties een direct gevolg zijn van de kwantumeffecten die alleen op de kleinste schaal verschijnen. De studie benadrukte ook dat de interactie tussen elektronen een rol speelt; hoewel het de uitkomst niet drastisch verandert, is het een noodzakelijke factor om een nauwkeurig beeld te krijgen. De bevindingen wijzen erop dat de theoretische plafond voor deze genanostructureerde cellen niet de 33 procent van de oude limiet is, maar eerder dicht bij de 49 procent ligt, een waarde die overeenkomt met de prestaties van veel complexere, multi-junction zonnecellen die momenteel in de ruimtevaart worden gebruikt.

De auteurs benadrukken dat deze cijfers afkomstig zijn van computersimulaties gebaseerd op een geïdealiseerd model. In een echte fabriek zullen factoren zoals defecten in het materiaal, variaties in de grootte van de dots en elektrische weerstand de werkelijke efficiëntie waarschijnlijk verlagen. Echter, de studie biedt een duidelijk theoretisch bovengrens, en laat zien dat de fysica van kwantumconfinement een echte route biedt om de limieten van conventionele zonneceltechnologie te overtreffen. Het werk demonstreert dat het door simpelweg de vorm en grootte van de halfgeleidende bouwstenen te veranderen, mogelijk is om een niveau van prestatie vrij te spelen dat voorheen een complexe stapeling van verschillende lagen materialen vereiste. Dit opent een nieuw pad voor het ontwerpen van zonnecellen die zowel eenvoudiger in structuur als krachtiger in output zijn, mits de fabricage-uitdagingen van het creëren van deze precieze nanostructuren kunnen worden overwonnen.