Metallische nanoschillen op een zonnecel

Nick Van den Broeck
 

De gouden glans van nanodeeltjes op je dak

Wie oplossingen zoekt voor milieu- en energieproblemen komt snel uit bij zonnecellen. Maar wist u dat deze eigenlijk niet zo’n hoog rendement hebben? Nanotechnologie kan zonnecellen nu rendabeler maken.
Je ziet ze meer en meer in het straatbeeld: zonnecellen op het dak van een huis of bedrijf. Nochtans halen commerciële zonnecellen slechts een rendement van 16%, zodat een investering in zonne-energie zich traag terugbetaalt.

Metallische nanoschillen op een zonnecel

 

De gouden glans van nanodeeltjes op je dak

Wie oplossingen zoekt voor milieu- en energieproblemen komt snel uit bij zonnecellen. Maar wist u dat deze eigenlijk niet zo’n hoog rendement hebben? Nanotechnologie kan zonnecellen nu rendabeler maken.
Je ziet ze meer en meer in het straatbeeld: zonnecellen op het dak van een huis of bedrijf. Nochtans halen commerciële zonnecellen slechts een rendement van 16%, zodat een investering in zonne-energie zich traag terugbetaalt. Laboratoriumvarianten lopen nog een klein beetje voor en durven 25% te halen, maar zijn veel te duur voor massaproductie.
Onderzoek heeft echter uitgewezen dat nanoschillen het rendement kunnen verbeteren. Nanoschillen zijn enorm kleine glazen bolletjes met daarrond een dunne gouden laag, als een dunne vergulde verpakking rond een praline. Ze zijn zo klein dat er maar heel weinig goud voor nodig is. Je kan deze deeltjes niet eens met het blote oog zien, maar dit betekent niet dat ze niet nuttig kunnen zijn. Licht zal namelijk botsen op deze kleine deeltjes en in het rond verstrooid worden. Door het licht te manipuleren met deze nanoschillen, kunnen we  de efficiëntie van de zonnecel verhogen.
Licht vangen in de bovenste laag

Wanneer licht op zo’n nanoschil botst, zal het van richting veranderen. Hierdoor blijft het licht veel dichter bij het oppervlak van de zonnecel.  Dat is heel nuttig want het werkend gedeelte van de zonnecel zit heel dicht bij het oppervlak. Alle licht dat hier wordt opgevangen, wordt omgezet in elektriciteit. Hoe meer lichtdeeltjes daar worden opgevangen, hoe hoger dus het rendement.

Maar er speelt nog een tweede effect mee. Door licht op het metalen laagje te sturen, ontstaan er namelijk oppervlakteplasmonen. Dat wil zeggen dat de elektronen allemaal gezamenlijk vibreren. Net zoals golven op de zee, maar dan een elektronenzee. Het licht is nu eigenlijk gekoppeld aan het metaal. Het hangt als het ware vast aan het goud en gaat over het oppervlak bewegen. De nanoschillen werken dan als een soort verkeersdrempel waar het licht over moet kruipen. Hierdoor blijft het licht langer in de bovenste lagen van de zonnecel, wat opnieuw het rendement verbetert.
Zoeken naar betaalbare efficiëntie
Nanoschillen vormen natuurlijk niet de enige methode om zonnecellen te verbeteren. Het is ook mogelijk om zonnecellen met meerdere lagen te maken zoals bij multi-laag-zonnecellen. Elk van die lagen zet licht om in elektriciteit waardoor het geheel een hoop energie produceert. Een andere mogelijkheid is om de stralen van de zon te concentreren op het oppervlak van de zonnecel. Beide systemen werken goed, maar zijn weinig kostenefficiënt. De kostprijs loopt vaak zo hoog op dat deze technieken in praktijk enkel worden toegepast in de ruimte.
We blijven daarom zoeken naar methoden om zonnecellen kostenefficiënter te maken. Het mooie aan nanoschillen is dat ze makkelijk te maken zijn en heel goed kunnen worden afgesteld op wat de zonnecel juist nodig heeft. Ook zijn ze makkelijk aan zonnecellen toe te voegen: ze worden als het ware uitgestrooid op het oppervlak van de zonnecel. Het valt dan ook te verwachten dat we binnenkort de bestaande zonnecellen kunnen opwaarderen met deze gouden nanodeeltjes.
Oplossing bij een (te) dun laagje
Maar we gaan deze nanoschillen ook kunnen toepassen op toekomstige generaties zonnecellen. Het is slechts een kwestie van tijd voordat een waardige opvolger voor de commerciële zonnecel op de markt verschijnt. Meer zelfs, we weten eigenlijk al wat de opvolger gaat zijn: dunne-laag zonnecellen.
Deze heel dunne zonnecellen zijn goedkoper om te maken omdat er minder materiaal voor nodig is. Ze zijn ook interessant voor de industrie want de meeste zonnecellen worden met silicium (gewoon zand) gemaakt. Dat is wel genoeg voorhanden, maar het zuiveringsproces vraagt tijd waardoor de vraag naar silicium het aanbod overstijgt. Niet enkel zonnecellen worden met silicium gemaakt, maar ook microchips in computers. Het zou dus heel handig zijn als we zonnecellen met minder silicium konden maken.
Maar er is ook een nadeel aan deze nieuwe generatie zonnecellen: ze zijn zo dun dat een deel van het licht er door schijnt. Dat willen we tegengaan. Hoe meer licht we opvangen, hoe meer energie we immers kunnen maken. En hier komen onze nanoschillen weer op het toneel. Die kunnen namelijk het licht concentrerenen afbuigen zodat het langer in dat dunne stukje silicium blijft, waardoor het meer licht kan opvangen.
Ander kleurtje,  ander effect
Dit is echter nog niet alles. Nanoschillen reageren verschillend als er een andere kleur licht op schijnt. Dit wil zeggen dat ze anders zullen reageren op rood, groen, geel of blauw licht. We kunnen nanoschillen bijvoorbeeld zo afstellen dat ze reageren bij een bepaalde kleur, maar ongevoelig blijven voor andere kleuren. Als we op een zonnecel dan nanoschillen mengen met verschillende kleurgevoeligheid, dan kunnen we het licht opsplitsen. Op die manier kunnen we de verschillende kleuren van het licht apart verwerken en optimaal behandelen. Ook dat verhoogt het rendement van de cel.
Nanoschillen kunnen dus best wel eens het antwoord vormen op enkele problemen waarmee de zonnecelindustrie te kampen heeft. En wie weet, misschien liggen ze binnenkort wel op uw huis. Dan hebt u toch eindelijk een gouden dak.

Bibliografie

[1] http://rredc.nrel.gov/solar/spectra/ (geraadpleegd in 2010)
[2] National Institute of Standards and Technology: http://physics.nist.gov/cuu/ Constants/index.html (geraadpleegd in 2010)
[3] IMEC, persoonlijke communicatie, (2009 - 2010)
[4] Fomin V.M., Tempere J. en Devreese J.T.: interne werknota: Polaritons in nanoshells (2008)
[5] National Renewable Energy Labotory: www.nrel.gov/ncpv/ thin_…lm/docs/ kaz_best_reseach_cells.ppt
[6] Miro Zeman: Solar Cells, Delft University of Technology (2010)
[7] http://www.isiwebofknowledgde (geraadpleegd in 2010)
[8] Chelikowsky J.R. en Cohen M.L.: Electronic structure of silicon; Phys. Rev.B, Vol:10, nr:12, pag: 5095-5107. doi: 10.1103/PhysRevB.10.5095 (1974)
[9] Aden A.L. en Kerker M.: Scattering of electromagnetic waves from two concentric spheres; J. App. Phys, Vol:22, nr:10, pag:1242-1246. doi: 10.1063/1.1699834(1951)
[10] Zhou H.I., Honma I., Komiyama H. en Haus J.W.: Controlled synthesis and quantum-size e¤ect in gold-coated nanoparticles; Rev. B., Vol:50, nr:16, pag: 12052-12057. doi: 10.1103/PhysRevB.50.12052 (1994)
[11] Halas N.J.: Tiny but Mighty; Spie’s oe magazine, pag: 34-35. doi:10.1117/2.5200112.0009 (2001)
[12] Brongersma M.L.: Nanoscale photonics: Nanoshells: gifts in a gold wrapper;Nature Materials, Vol:2, pag 296-297. doi: 10.1038/nmat891 (2003)
[13] O’Neal D.P., Hirsch L.R., Halas N.J., Payne J.D. en West J.L.: Photothermal tumor ablation in mice using near infrared-absorbing nanoparticles; Cancer Letters, Vol:209, pag: 171-176. doi: 10.1016/j.canlet.2004.02.004 (2004)
[14] Kelleher K.: Engineers light up cancer researche: Emerging medicine: Scientists design gold "nanoshells"that seek and destroy tumors; Popular Science, pag: 34-35.(2003)
[15] Huang X., El-Sayed I. H., Qian W., and El-Sayed M.A.: Cancer Cell Imaging and Photothermal Therapy in the Near-Infrared Region by Using Gold Nanorods; J. Am. Chem. Soc., Vol:128, nr:6, pag: 2115–2120. doi: 10.1021/ja057254a (2006)
[16] Sershen S.R., Westcott S.L., West J.L. en Halas N.J.: An opto-Mechanical nanoshell-polymer composite; Appl. Phys. B, Vol:73, nr:4, pag: 379-381. doi: 10.1007/s003400100689 (2001)
[17] Sershen S.R., Westcott S.L., Halas N.J. en West J.L.: Temperature-sensitive polymer-nanoshell composites for photothermally modulated drug delivery; J. Biomed. Mater. Res., Vol:51, nr:3, pag: 293-298. doi: 10.1002/1097-4636(20000905)51:3<293::AID-JBM1>3.0.CO;2-T (2000)
[18] Halas N.J.: The optical properties of Nanoshells; Optics & photonics news, Vol 13, nr 8, pag: 26-30. doi:10.1364/OPN.13.8.000026 (2002)
[19] Hirsch L.R., Gobin A.M., Lowery A.R., Tam F., Drezek R.A., Halas N.J.en West J.L: Metal Nanoshells; Annals of Biomedical Engineering, Vol 34, nr 1, pag: 15-22. doi: 10.1007/s10439-005-9001-8 (2006)
[20] Lal S., Link S. and Halas N.J.: Nano-Optics from sensing to waveguiding;Nature photonics, Vol:1, pag: 641-648. doi: 10.1038/nphoton.2007.223 (2007)
[21] Mie G.: Beiträge zur optik trüber Medien, speziell kolloidaler Metallüsungen; Annalen der physik, vol 4, nr 25, pag377-445. (1908)
[22] Nelson J. : The Physics of Solar Cells; Imperial College Press, Verenigd Koninkrijk. ISBN:1-86094-340-3 (2007)
[23] Kittel C. : Introduction to Solid State Physics 8th edition; John Wiley & Sons, Inc, USA. ISBN: 0-471-41526-x (2005)
[24] Lide D.R., ed.: CRC Handbook of Chemistry and Physics; Internet Version 2005, <http://www.hbcpnetbase.com&gt;, CRC Press, Boca Raton, FL. (2005)
[25] Stratton J.A.: Electromagnetic theory; McGraw-Hill Book company, New York en London. (1941)
[26] Jackson J.D.: Classical Electrodynamics; John Wiley & Sons, Inc, USA. ISBN: 0-471-43132-x (1975)
[27] Arfken G.B. &Weber H.J.: Mathematical Methods for Physicists, Sixth Edition; Elsevier Academic Press, Burlington MA, USA. ISBN: 0-12-088584-0 (2005)