Nieuwe halfgeleider kan zonnecellen verbeteren

Onderzoekers zijn erin geslaagd een halfgeleidermateriaal voor fotovoltaïsche cellen te ontwikkelen dat in een enkele laag bijna even goed kan presteren als diverse lagen halfgeleiders in duurdere multijunction-zonnepanelen.

De medewerkers van het Lawrence Berkeley National Lab hebben een halfgeleidermateriaal ontwikkeld dat zich als multijunction-materiaal kan gedragen. Het materiaal is gebaseerd op galliumarsenide, dat normaal vrij energierijke fotonen vergt om energie op te wekken. De onderzoekers van de Solar Energy Materials Research Group, onder leiding van Wladek Walukiewicz, vervingen echter een deel van de arseenatomen door stikstofatomen. Daardoor konden ook fotonen met minder energie elektronen vrij maken, dankzij een cumulatief effect. Zodra voldoende fotonen hun energie hadden afgegeven, kon een elektron de band gap overbruggen.

Zo zou het met stikstof 'vervuilde' galliumarsenide-nitride een breder deel van het spectrum kunnen benutten en zo meer energie opwekken. Het stikstof voegt een derde band gap aan het galliumarsenide toe. Zo fungeert het materiaal met een enkele laag halfgeleidermateriaal in theorie als een multilayer-fotovoltaïsche cel. Het rendement van de fotovoltaïsche cellen is echter nog niet op het gewenste niveau. Dat komt onder meer doordat de energie van de fotonen niet lang genoeg kan worden vastgehouden om samen met de energie van andere fotonen een elektron los te maken. Wellicht kan het doteren van het galliumarsenide-nitride met fosfor dit verhelpen.

De goedkoopste variant fotovoltaïsche cellen die veelal in consumentenproducten worden gebruikt, is opgebouwd uit mono- of polykristallijn silicium. Door gebruik te maken van thin film-technieken kan worden volstaan met minder halfgeleidermateriaal, wat de kosten drukt. Bovendien zijn dan andere photovoltaïsche materialen te gebruiken, wat het rendement kan verhogen. Dit zijn echter halfgeleidermaterialen met een enkele junction, of band gap; alleen fotonen met een bepaalde golflengte of energie kunnen elektronen van de ene valentieband naar de andere stoten, en zo voor het photovoltaïsche effect zorgen en energie opwekken.

De fotovoltaïsche cellen die worden gebruikt in de ruimtevaart en andere toepassingsgebieden waar kosten ondergeschikt zijn, worden opgebouwd uit verschillende lagen halfgeleidermateriaal. Elke laag heeft een eigen band gap, waardoor een breder spectrum van het invallende zonlicht benut kan worden om energie op te wekken. Deze fotovoltaïsche cellen zijn echter, gezien hun complexere samenstelling, duurder dan enkellaagscellen. Cellen met een enkele laag halfgeleidermateriaal en een hoog rendement zouden lage kosten met goede prestaties combineren.