Oogsten van hete elektronen kan zonnepanelen efficiënter maken

Natuurkundige regels bepalen dat niet meer dan 33 procent van de zonne-energie die op een zonnepaneel valt in elektriciteit omgezet kan worden. Maar met behulp van simulaties en experimenten hebben onderzoekers van de RUG een manier ontdekt om extra energie te oogsten van ‘hete elektronen’. Daarmee hopen ze deze barrière te doorbreken.

FSE Science Newsroom | René Fransen

Als licht op een zonnepaneel valt, brengt de energie van de fotonen (lichtdeeltjes) de elektronen in het materiaal van de zonnecel in een aangeslagen toestand, waardoor ze extra energie krijgen. Deze reactie kan elektronen uit het materiaal losmaken, waardoor een elektrische spanning ontstaat.

Maar er zijn ook fotonen die zoveel energie afgeven dat er zogeheten ‘hete elektronen’ vrijkomen, met extra veel energie.  In theorie kan die extra energie de elektrische spanning vergroten. Maar in de praktijk raken de hete elektronen hun extra energie kwijt binnen enkele picoseconden (0,000000000001 van een seconde). ‘Dit betekent dat de extra energie verloren gaat als warmte voordat de hete elektronen uit het materiaal van de zonnecellen kunnen komen’, vertelt Jan Anton Koster, hoogleraar Fysica van Nieuwe Halfgeleiders aan de RUG.

Sceptisch over de claim

Maar zijn collega Maria Loi, hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica, is erin geslaagd om het verlies aan energie door hete elektronen te vertragen in een experimentele opstelling. Zij deed dat met tin-perovskiet, een materiaal dat voor zonnecellen wordt gebruikt. Zij zag dat het verlies van de extra energie werd vertraagd met ongeveer een factor duizend, tot nanoseconden. ‘De metingen waren duidelijk, maar we begrepen de fysica erachter niet’, vertelt Koster. Dat zorgde ervoor dat andere onderzoekers sceptisch waren over de claim. ‘We begonnen zelf ook te twijfelen aan onze metingen’, erkent hij.

Om dit probleem op te lossen gebruikten Koster en zijn promovendus Tim Faber simulaties om het energieverlies te bestuderen. Zij vonden dat in zonnecellen van perovskiet twee mechanismen er samen voor zorgen dat de tijd waarin hete elektronen energie verliezen langer wordt.

Nanoseconden

Wanneer energie wordt afgegeven als warmte, wordt de omgeving waarin de elektronen zich bevinden ook warmer. Koster en Faber realiseerden zich dat die omgevingswarmte ook weer door de elektronen kan worden opgenomen. ‘Wanneer we dit bekende proces aan de simulaties toevoegden, vertraagde dit het verlies van energie, maar niet voldoende om onze metingen te verklaren.’ Daarvoor was een tweede mechanisme nodig.

De extra energie van hete elektronen brengt ze in een reeks aangeslagen toestanden. Energieverlies betekent dat de aangeslagen toestand naar een lager energieniveau terugvalt in discrete stapjes – vergelijkbaar met traptreden. Als de verschillende treden al bezet zijn door elektronen, is de weg naar beneden minder goed te begaan en kost het dus meer tijd. Dit was al bekend als het Burstein-Moss-effect. Koster: ‘Toen we dit toevoegden aan onze simulaties, zagen we dat het energieverlies nanoseconden duurde, net als in de experimenten van Maria Loi.’

Aangezien beide effecten plaatsvinden in de zonnecellen van tin-perovskiet, wisten Koster en zijn team eindelijk waarom het verlies van energie door de hete elektronen vertraagd was. Er zijn nog flink wat andere vragen die beantwoord moeten worden, maar in theorie kan deze ontdekking zorgen voor efficiëntere zonnecellen die meer dan 33 procent van de energie omzetten in elektriciteit.

Referentie: Tim Faber et al: The Physics of Ultra-Long Cooling Times in Metal Halide Perovskites. ACS Energy Letters, 11 september 2026.