Universiteit van Amsterdam

Gepubliceerd op 9 oktober 2011

Met silicium nanokristallen op weg naar betere zonnecellen

Gepubliceerd op 9 oktober 2011
Artist impression van het principe van verveelvoudiging van ladingsdragers in nanokristallen van silicium. Illustratie Dolf Timmerman et al.

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.
Prof. Tom Gregorkiewicz (links) met promovendus Dolf Timmerman

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.

Rendementsverhoging

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.
Bron: IoP-UvA