Volgende generatie zonne-energie: Japanse onderzoekers bereiken BPVE doorbraak

In een conventionele zonnecel vormen twee verschillend gedoteerde halfgeleiderlagen een p-n-overgang. Op hun grens ontstaat een intern elektrisch veld. Wanneer licht op de cel valt, genereert het elektronen en hun positief geladen tegenhangers. Het elektrische veld drijft ze snel in tegengestelde richtingen, waardoor er een stroom ontstaat. Dit fundamentele ontwerp heeft echter een ingebouwde fysieke limiet voor spanning en efficiëntie - bekend als de Shockley-Queisser limiet. Praktisch gezien kan zelfs onder ideale zonlichtomstandigheden slechts ongeveer een derde van de lichtenergie worden omgezet in elektriciteit.

Dit is waar het bulk fotovoltaïsch effect (BPVE) om de hoek komt kijken (BPVE) in het spel komt. In tegenstelling tot traditionele zonnecellen, is het niet afhankelijk van een p-n junctie of een intern elektrisch veld. In plaats daarvan maakt het gebruik van de unieke atomaire structuur van bepaalde kristallen die geen spiegelsymmetrie hebben. Het effect ontstaat wanneer twee symmetrieën tegelijkertijd worden verbroken: Ten eerste moet ruimtelijke spiegelsymmetrie afwezig zijn, waardoor de asymmetrische atoomopstelling elektronen bij voorkeur in één richting duwt wanneer ze aan licht worden blootgesteld. Ten tweede moet tijdreversale symmetrie doorbroken worden door een magnetisch materiaal, zodat voorwaartse en achterwaartse elektronenbewegingen niet langer gelijkwaardig zijn. Als aan beide voorwaarden wordt voldaan, kan licht alleen een stroom opwekken - zonder een junctie en voorbij de Shockley-Queisser-limiet.

Kyoto-onderzoekers bereiken BPVE doorbraak - zonnecellen bestuurbaar via magnetisme

Een onderzoeksteam van de Kyoto Universiteit, onder leiding van natuurkundige Kazunari Matsuda, heeft voor het eerst een zonnecel ontwikkeld zonder een conventionele p-n junctie, waarbij gelijktijdig aan beide kritische voorwaarden wordt voldaan:

1. Een enkele, atomisch dunne halfgeleiderlaag zorgt ervoor dat het materiaal geen spiegelsymmetrie heeft.
2. Een onderliggend magnetisch kristal doorbreekt verder de tijdreversale symmetrie.

De Universiteit van Kyoto kondigde de doorbraak op 24 juni. Hierdoor kan het bulk fotovoltaïsch effect (BPVE) volledig tot zijn recht komen: licht drijft elektronen rechtstreeks in één richting aan, waardoor stroom wordt gegenereerd zonder dat er een intern elektrisch veld nodig is. Het magnetische kristal functioneert als een fijn instelbare regelknop - door een extern magnetisch veld toe te passen kan de stroom aan- of uitgezet worden, of kan de sterkte gemoduleerd worden. In theorie zouden zonnecellen op basis van de BPVE meer energie uit zonlicht kunnen halen terwijl ze ultradun, flexibel en zelfs afstembaar zijn via magnetische velden.

Het acht pagina's tellende onderzoek, gepubliceerd in Nature Communicationsis gratis online beschikbaar. Hoewel de Universiteit van Kyoto geen tijdlijn heeft gegeven voor de commercialisering, bevindt de technologie zich nog in een vroeg ontwikkelingsstadium. Toch zijn er potentiële toepassingen die in de nabije toekomst zouden kunnen opduiken - niet alleen in energieopwekking, maar ook in sensortechnologie. Zo zouden ultradunne BPVE-films bijvoorbeeld kunnen dienen als "mini-energiecentrales" met eigen voeding op labels, wearables of apparaten voor omgevingsbewaking. Deze films zouden niet alleen temperatuur-, vochtigheids- of bewegingssensoren van stroom voorzien; hun magnetische afstembaarheid zou ook de detectie van lichtintensiteit, magnetische velden en zelfs lichtpolarisatie mogelijk kunnen maken - allemaal binnen één enkele, bijna onzichtbare laag.