Door tripletplitsing zouden zonnepanelen rendementen boven de 100% (?) kunnen behalen, geloof het of niet. SF staat voor spinsplitsing, NIR voor nabij infrarood, Mo voor molybdeen. (afb: Yoichi Sasaki et al./ACS)

Zonnecellen hebben het ‘onmogelijke’ gepresteerd met deze doorbraak van 130%
Door een zogeheten ‘spinomklap’ zouden zonnepanelen in staat zijn meer energie te genereren dan ze ontvangen met een ‘rendement’ van 130%. Het lijkt een mirakel, maar verwacht niet dat er nu meteen zo’n wonderzonnepaneel op de markt komt.
Zonne-energie speelt een belangrijke rol in de inspanningen om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen en klimaatverandering aan te pakken. De zon straal elke dag 8000 keer meer energie op de aarde dan wij, verspillende, mensen gebruiken. Dat we toch maar weinig van deze energie kunnen gebruiken ligt aan het onvermogen van de zich slim achtende mens om daarvan gebruik te maken. Zo benutten zonnepanelen zo’n 30% van de ingestraalde zonne-energie. Deze beperking zou te wijten zijn aan een fysieke ‘grens’ die moeilijk te doorbreken leek.
Er gloort echter hoop. Onderzoekers in Japan en Duitsland denken een manier gevonden te hebben om die grens te doorbreken. Ze gebruikten een molybdeencomplex, een zogenaamde ‘spinomklapstraler’ om extra energie op te vangen die wordt gegenereerd door een wat heet singletsplitsing een proces waarbij een aangeslagen singlet wordt omgezet in twee triplets. Een singlet is een toestand waarbij elektronen gepaard zijn in hun banen rond de kern. In een triplet zit er maar een elektron in zo’n baan.

Met deze aanpak behaalden de onderzoekers energieomzetrendement van ongeveer 130%, waarmee de traditionele limiet van 100% werd overschreden en de weg werd vrijgemaakt voor geavanceerdere zonneceltechnologieën. Zonnecellen produceren elektriciteit wanneer fotonen (lichtdeeltjes) van zonlicht een halfgeleider raken en energie overdragen aan elektronen, waardoor deze in beweging komen en er een elektrische stroom ontstaat.
Niet alle fotonen zijn echter even nuttig. Laagenergetische infraroodfotonen hebben niet genoeg energie om elektronen te activeren, terwijl hoogenergetische fotonen zoals blauw en ultraviolet licht hun overtollige energie als warmte verliezen. Hierdoor kunnen zonnecellen slechts ongeveer een derde van het binnenkomende zonlicht benutten. Deze beperking staat bekend als de Shockley-Queisser-limiet en is altijd een grote uitdaging gebleven.

“We hebben twee belangrijke strategieën om deze limiet te doorbreken”, zegt Yoichi Sasaki, universitair hoofddocent aan de Kyushu-universiteit. “De ene is het omzetten van laagenergetische infraroodfotonen in hoogenergetische zichtbare fotonen. De andere, die we hier onderzoeken, is het gebruik van singletsplitsing om twee excitonen te genereren uit één aangeslagen foton.”
Onder normale omstandigheden produceert elk foton na te zijn aangeslagen slechts één spinsingletexciton. Met singletsplitsing kan dit ene exciton zich splitsen in twee spintripletexcitonen met een lagere energie, waardoor de beschikbare energie effectief kan verdubbelen. Hoewel bepaalde materialen, zoals tetraceen, dit proces ondersteunen, is het efficiënt opvangen van deze excitonen lastig gebleken.

FRET

“Die energie kan gemakkelijk ‘gestolen’ worden door een mechanisme genaamd Förster-resonantie-energieoverdracht (FRET) voordat vermenigvuldiging plaatsvindt,” legt Sasaki uit. “Daarom hadden we een energieacceptor nodig die de vermenigvuldigde tripletexcitonen na splitsing selectief opvangt.”

Om dit probleem aan te pakken hebben de onderzoekers gekeken naar metaalcomplexen, die nauwkeurig gemanipuleerd kunnen worden. Ze kwamen uit een op molybdeen gebaseerde ‘spinomslagstraler’ als een effectieve oplossing. In dit systeem verandert een elektron zijn spin tijdens de absorptie of emissie van nabij-infrarood licht, waardoor het de door spinspliting gegenereerde tripletenergie kan opvangen. Door de energieniveaus zorgvuldig aan te passen, minimaliseerde ze de verliezen door FRET en maakte een efficiënte extractie van de vermenigvuldigde excitonen mogelijk.

In combinatie met aangepaste tetraceenverbindingen in oplossing oogstte het systeem met succes energie met kwantumrendementen van ongeveer 130%. Dit betekent dat ruwweg 1,3 molybdeencomplexverbindingen werden geactiveerd voor elk geabsorbeerd foton, waarmee de gebruikelijke limiet werd overschreden en werd aangetoond dat er meer energie(dragers) werden ‘losgepeuterd’ dan invallende fotonen.
Voorlopig gaat het nog om een bewijs van werking. Er zal, denk ik(=as) nog wel wat water door de Rijn stromen vooraleer we zon spinsplitsende zonnepaneel op het dak kunnen leggen.

Bron: Science Daily