Met silicium nanokristallen op weg naar betere zonnecellen
zondag 9 oktober 2011
Dicht opeen gepakte nanokristallen van silicium kunnen invallende
lichtdeeltjes omzetten in tenminste twee keer zo veel elektrische
ladingsdragers en dat proces verloopt uitermate efficiënt. Een groep
natuurkundigen van de Universiteit van Amsterdam in samenwerking met
een collega uit de Karel Universiteit in Praag heeft dat experimenteel
aangetoond. Omzetting van lichtdeeltjes in meer ladingsdragers was
langs indirecte weg al wel bekend voor allerlei typen halfgeleiders,
maar er is altijd veel discussie over de efficiëntie van het proces
geweest. In tegenstelling tot de situatie in andere halfgeleiders,
hebben de onderzoekers laten zien dat de multiplicatie van
ladingsdragers in silicium nanokristallen zeer efficiënt is (tot
100%), en plaats vindt bij energieën die in het zonnespectrum aanwezig
zijn. Daarmee zouden dicht gepakte silicium nanokristallen een manier
kunnen vormen om zonnecellen met een veel hoger rendement te maken.
Vervolgexperimenten zullen dat moeten aantonen. De onderzoekers
publiceren hun bevindingen in een Advance Online Publication van Nature
Nanotechnology op 9 oktober aanstaande.
De experimentatoren in Amsterdam maakten voor hun onderzoek gebruik van
twee typen nanokristallen van silicium. Het ene type produceerden ze
door een dunne laag silicium en siliciumdioxide op een ondergrond van
kwarts op te dampen. Dit materiaal gloeiden ze vervolgens bij hoge
temperatuur uit. Er blijven dan silicium nanokristallen met afmetingen
van ongeveer 3 tot 4 nanometer over die ingebed in siliciumdioxide
zitten. Het andere type maakten ze door kristallijn silicium
elektrochemisch te etsen, waardoor er poreuze siliciumkorrels
achterbleven die bestaan uit vele nanokristalllen (1 tot 3 nanometer in
diameter). Monsters van beide typen beschenen ze vervolgens met licht
van steeds één kleur. De energie van de fotonen uit dat licht wordt
door de kristallen opgenomen en vervolgens als fotoluminescentie weer
uitgezonden. De opbrengst die dat geeft is een maat voor het opwekken
van ladingsdragers in de monsters. Anders dan gangbaar is in
halfgeleider nanokristallen bleek in de nu onderzochte nanokristallen
de opbrengst met toenemende fotonenergie toe te nemen. Naarmate de
concentratie aan nanokristallen hoger is blijkt dit proces ook
aanzienlijk beter te verlopen. Het proces van het verveelvoudigen van
ladingsdragers begint al binnen het golflengtebereik van het zichtbare
zonlicht. Daarom lijkt het aanbrengen van nanokristallen van silicium
in een hoge concentratie een veelbelovende manier om de opbrengst van
gewone zonnecellen van silicium aanzienlijk te verhogen. Dit idee zal
nu in fotovoltaïsche devices beproefd moeten worden om te zien of er
dan nog een steeds een verhoogde productie aan ladingsdragers is.
Voor de redactie:
Meer informatie bij M.Sc. Dolf Timmerman, telefoon 020 â 525 6339,
e-mail d.timmerman@uva.nl of prof.dr. Tom Gregorkiewicz, telefoon 020 â
525 5643, e-mail t.gregorkiewicz@uva.nl
Referentie:Step-like enhancement of luminescence quantum yield of Si
nanocrystals,
Dolf Timmerman, Jan Valenta, Katerina Dohnalovà, Wieteke de Boer en
Tom Gregorkiewicz, AOP, DOI 10.1038/NNANO.2011.167, Nature
Nanotechnology, 9 oktober 2011.
Alle auteurs zijn verbonden aan het Van der Waals-Zeeman Instituut van
de Universiteit van Amsterdam, behalve J. Valenta, Karel Universiteit,
Praag.
Het onderzoek werd gefinancierd door NWO, Technologiestichting STW en
Stichting FOM
De twee hoofdonderzoekers op het project: Tom Gregorkiewicz (links) en
Dolf Timmerman.
Technologie Stichting STW