Foto: Riccardo Ollearo
Eindhoven,
Zonnepanelen met gestapelde cellen breken op dit moment alle records. Opmerkelijk genoeg is het een team van onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven en TNO – Holst Centre gelukt fotodiodes te maken – gebaseerd op een soortgelijke technologie – met een foto-elektron-opbrengst van meer dan 200 procent. Je zou denken dat rendementen van meer dan 100 procent alleen mogelijk zijn met behulp van alchemie en andere Harry Potter-trucs. Maar het kan echt. Het antwoord ligt in de wereld van het kwantumrendement en gestapelde zonnecellen.
René Janssen, hoogleraar aan de TU/e en co-auteur van een nieuw paper in Science Advances, legt uit. “Ik weet het, dit klinkt ongelooflijk. Maar we hebben het hier niet over normale energie-efficiëntie. Wat telt in de wereld van de fotodiodes is kwantumefficiëntie. In plaats van de totale hoeveelheid zonne-energie telt het aantal fotonen dat de diode omzet in elektronen. Ik vergelijk het altijd met de tijd dat we nog guldens en lires hadden. Als een toerist uit Nederland tijdens zijn vakantie in Italië voor zijn 100 gulden slechts 100 lire kreeg, voelde hij zich waarschijnlijk bekocht. Maar omdat in kwantumtermen elke gulden telt als één lire, behaalde hij toch een rendement van 100 procent. Dit geldt ook voor fotodiodes: hoe beter de diode in staat is zwakke lichtsignalen te detecteren, hoe hoger het rendement.”
Donkerstroom
Fotodiodes zijn lichtgevoelige halfgeleiderelementen die een stroom produceren als ze fotonen van een lichtbron absorberen. Zij worden gebruikt als sensoren in allerlei toepassingen, waaronder medische doeleinden, wearables voor het bewaken van patiënten, lichtcommunicatie, bewakingssystemen en beeldherkenning. Op al deze gebieden is een hoge gevoeligheid essentieel. Wil een fotodiode goed werken, dan moet zij aan twee voorwaarden voldoen. Ten eerste moet hij de stroom die ontstaat bij afwezigheid van licht, de zogenaamde donkerstroom, minimaliseren. Hoe minder donkerstroom, hoe gevoeliger de diode. Ten tweede moet hij het niveau van het achtergrondlicht (de `ruis´) kunnen onderscheiden van het relevante infrarode licht. Helaas gaan deze twee dingen meestal niet samen, integendeel.
Tandem
Vier jaar geleden begon Riccardo Ollearo, een van Janssens promovendi en hoofdauteur van het artikel, aan de oplossing van dit raadsel. In zijn onderzoek werkte hij samen met het fotodetectorteam van het Holst Centre, een onderzoeksinstituut van TNO gespecialiseerd in draadloze en geprinte sensortechnologieën. Ollearo bouwde een zogenaamde tandemdiode, een apparaat met zowel perovskiet- als organische PV-cellen.
Door deze twee lagen te combineren – een techniek die ook steeds meer wordt gebruikt in geavanceerde zonnecellen – kon hij beide omstandigheden optimaliseren en een efficiëntie van 70 procent bereiken.
“Dat is best indrukwekkend, maar niet genoeg”, vond de ambitieuze jonge onderzoeker uit Italië. “Ik besloot te kijken of ik het rendement nog verder kon verhogen met behulp van groen licht. Uit eerder onderzoek wist ik dat het verlichten van zonnecellen met extra licht hun kwantumefficiëntie kan veranderen, en in sommige gevallen zelfs verbeteren. Tot mijn verrassing werkte dit zelfs beter dan verwacht bij het verbeteren van de gevoeligheid van de fotodiode. We konden het rendement voor nabij-infrarood licht verhogen tot meer dan 200 procent!”
Mysterie
Tot nu toe weten de onderzoekers nog steeds niet precies hoe dit werkt, hoewel ze een theorie hebben bedacht die het effect zou kunnen verklaren. “We denken dat het extra groene licht leidt tot een opeenhoping van elektronen in de perovskietlaag. Dit werkt als een reservoir van ladingen die vrijkomen wanneer infrarode fotonen worden geabsorbeerd in de organische laag”, zegt Ollearo. “Met andere woorden, elk infrarood foton dat wordt opgevangen en omgezet in een elektron, krijgt gezelschap van een bonuselektron, wat leidt tot een efficiëntie van 200 procent of meer. Zie het als twee lires krijgen voor je gulden, in plaats van één!”
Toekomst
Met de publicatie van het artikel in Science Advances is Ollearo’s werk zo goed als klaar. Op 21 april verdedigt hij zijn proefschrift onderzoek.
Houdt het onderzoek dan op? “Nee, zeker niet. We willen kijken of we het apparaat verder kunnen verbeteren, bijvoorbeeld door het sneller te maken”, zegt Janssen. “Ook willen we onderzoeken of we het apparaat klinisch kunnen testen, bijvoorbeeld in samenwerking met het FORSEE-project.” Het FORSEE-project, geleid door TU/e-onderzoeker Sveta Zinger en in samenwerking met het Catharina Ziekenhuis in Eindhoven, ontwikkelt een intelligente camera die de hart- en ademhalingssnelheid van een patiënt kan observeren.