Nieuw materiaal omzeilt natuurwet die zonnecellen al 165 jaar beperkt

In 1860 ontdekte de Duitse natuurkundige Gustav Kirchhoff een regel die later de basis zou vormen voor het ontwerp van zonnecellen: een materiaal dat goed licht opneemt, straalt ook goed energie uit. Voor zonnecellen betekent dit een vervelend compromis. Materialen die zonlicht uitstekend absorberen, zoals silicium, galliumarsenide en de populaire perovskieten, laten de daardoor losgemaakte elektronen ook snel weer terugvallen naar hun oorspronkelijke plek. Bij die terugval, recombinatie genoemd, gaat de opgewekte energie verloren als warmte of licht in plaats van als stroom. Perovskiet-zonnecellen zitten inmiddels dicht tegen hun theoretische limiet van ongeveer 28 procent rendement aan, mede door dit effect.

Een materiaal dat de regels lijkt te breken

Een internationaal onderzoeksteam, met resultaten gepubliceerd in het tijdschrift Nature, ontdekte dat het materiaal bismutsulfide zich anders gedraagt. Dit ongiftige en stabiele materiaal absorbeert licht net zo sterk als de beste huidige zonnecelmaterialen. Maar de elektronen die daarbij vrijkomen, vallen veel trager terug naar hun uitgangstoestand dan de wet van Kirchhoff zou voorspellen. De onderzoekers maakten dunne laagjes van bismutsulfide door het materiaal te verdampen op een kwartsplaatje, en onderzochten daarna met berekeningen en metingen bij verschillende temperaturen hoe het licht opneemt en weer afgeeft.

Het geheim: twee overgangen, bijna even sterk

De verklaring ligt in de elektronische structuur van bismutsulfide. In de meeste zonnecelmaterialen verloopt het opnemen en weer afgeven van licht via precies hetzelfde elektronische kanaal, wat de koppeling tussen absorptie en recombinatie afdwingt. Bismutsulfide heeft echter twee bijna even sterke overgangen die vlak bij elkaar liggen in energie: een trage, indirecte overgang met de laagste energie, en een snelle, directe overgang die daar maar een fractie boven zit. Omdat elektronen bij kamertemperatuur voortdurend heen en weer schakelen tussen deze twee toestanden, wordt de snelle terugval via het directe kanaal effectief afgeremd. Het resultaat is een materiaal dat licht opneemt als een direct halfgeleider, maar zich bij het vasthouden van energie gedraagt als een indirect halfgeleider, zonder daarbij veel bruikbare spanning te verliezen. De onderzoekers noemen dit een pseudo-directe halfgeleider, een nieuwe materiaalklasse die nog niet eerder is beschreven.

Wat dit kan betekenen voor zonne-energie

Omdat bismutsulfide langer energierijke elektronen vasthoudt voordat ze verloren gaan, kunnen zonnecellen op basis van dit soort materialen mogelijk voorbij de huidige rendementsgrenzen komen. Dat is ook relevant voor andere toepassingen die afhankelijk zijn van langlevende elektronen, zoals fotokatalyse, waarbij zonlicht wordt gebruikt om chemische reacties aan te drijven, bijvoorbeeld voor de productie van waterstof. Het onderzoek staat nog in een vroeg, experimenteel stadium: er zijn nog geen complete zonnecellen van bismutsulfide gebouwd en getest. Maar de ontdekking van een heel nieuw type halfgeleider, na decennia waarin de limieten van Kirchhoffs wet als onvermijdelijk golden, geeft materiaalonderzoekers een nieuwe richting om te verkennen.