Flexibele plastic zonnecellen zijn volgens sommigen de energiebron van de toekomst. Ze zijn goedkoop, lichtgewicht en makkelijk te verwerken in alles van kleding tot producten tot gebouwen. Maar de hoeveelheid zonlicht die ze effectief in elektriciteit omzetten is laag. Dat ligt net boven de zes procent, de helft minder dan traditionele zonnepanelen. Traditionele zonnepanelen zijn op hun beurt echter weer duur, zwaar en alleen in een starre opstelling te gebruiken. In Nature Materials publiceerden Amerikaanse onderzoekers over de prestaties van een prototypezonnecel die de beste eigenschappen van flexibele en traditionele zonnecellen combineert.

Microstaafjes silicium
Het nieuwe zonnecelontwerp bestaat uit een laag kwartskristal met daarop heel veel, hele kleine rechtopstaande staafjes van silicium. De diameter van deze staafjes ligt tussen de twee en de tien micrometer. Zonlicht dat onder een hoek op de staafjes valt, kaatst tussen de staafjes heen en weer tot het grotendeels is geabsorbeerd. De ruimte tussen de staafjes is ter bescherming en voor de flexibiliteit opgevuld met een antireflecterende plasticlaag.

De staafjes staan zo gerangschikt dat ze minder dan vijf procent van de oppervlakte van de zonnecel in beslag nemen. Hierdoor is volgens de onderzoekers maar een honderdste van de hoeveelheid silicium uit een traditionele zonnecel nodig. Dat betekent een flinke kostenbesparing in materiaal, terwijl de prestaties beter zijn. Bovendien zou een minder zuivere kwaliteit silicium al volstaan voor een goede werking.

Lichtopbrengst
De Amerikaanse onderzoekers maakten verschillende testversies van de nieuwe zonnecellen. Het doel daarvan was om bij wisselende lichtinvalshoeken een maximale lichtopbrengst te krijgen. Hoe goed de staafjes het invallende zonlicht absorberen, is afhankelijk van de lengte van de staafjes in combinatie met de tussenruimte en hoe ze staan opgesteld. Er werd geëxperimenteerd met staafjes van 67 tot 130 micrometer lang.

De beste resultaten werden behaald met een random opstelling van de staafjes, zodat het licht er willekeurig tussen heen en weer kan kaatsen. Dat effect wordt vergroot door de plastic laag tussen de staafjes te mengen met kleine deeltjes aluminiumoxide. Deze hebben een gemiddelde doorsnede van 0,9 micrometer en verminderen de afhankelijkheid van een bepaalde invalshoek van het zonlicht. Ook werd onder de staafjes nog een reflecterende onderlaag aangebracht.

Galliumarsenide
De onderzoekers wisten met de prototypes invallend zonlicht tot twintig keer te concentreren. Dit leidde tot een gemiddelde lichtabsorptie van 85 procent. Die waarde is vergelijkbaar met een traditionele zonnecel, maar dan met slechts een honderdste van de hoeveelheid silicium. De omzettingsfactor van licht naar elektriciteit bedraagt volgens de onderzoekers ongeveer 17 procent. Dat is weer enkele procenten hoger dan een traditionele zonnecel. Alleen hogerendementszonnecellen op basis van galliumarsenide halen een hoger rendement van rond de 25 procent. Maar die zijn ook peperduur.

Paul Schilperoord

Michael D. Kelzenberg e.a., ‘Enhanced absorption and carrier collection in Si wire arrays for photovoltaic applications’, in Nature Materials, 14 februari 2010.