Het ene licht is het andere niet. Zonlicht bevat alle kleuren van de regenboog, elk gekarakteriseerd door een specifieke golflengte van grofweg 400 tot 2500 nanometer. Eigenlijk wil je al dit licht benutten in de zonnecel, vertelt de Belgische promovendus Jan Gilot (28). Maar dan stuit je op een probleem: “De spanning over de zonnecel wordt beperkt door de energie van het geabsorbeerde licht met de langste golflengte. Hoe meer je van het rode en infrarode deel van het spectrum (met de laagste energie, red.) wilt meepakken, hoe lager die spanning wordt.” En omdat het vermogen van de zonnecel evenredig is met de spanning, heeft dat ongunstige effecten voor het rendement van de cel.

Probleem is dus dat je het infrarode deel van het spectrum moet weggooien, wil je met een zonnecel een hoge spanning opwekken . Maar dat gaat ten koste van de totale stroom door de cel - je vangt immers minder licht. Het vermogen van de cel is het product van de stroom en de spanning. Je heb dus beide nodig.

Toch is er een manier om het vermogen te maximaliseren: neem twee zonnecellen die elk een deel van het spectrum absorberen, en plak deze op zo’n manier op elkaar dat spanningen optellen. Een lumineus, betrekkelijk simpel idee, maar nog niet zo gemakkelijk gerealiseerd. Je moet de twee (of meer) zonnecellen namelijk via een speciale tussenlaag met elkaar verbinden.

In principe is ook dat niet zo moeilijk, vertelt Gilot. “Die tussencontacten bestonden al, maar dat waren metaallaagjes die moeten worden opgedampt in vacuüm.” En dat past niet in de filosofie van Gilots promotor prof.dr.ir. René Janssen. Zijn groep, Molecular Materials and Nanosystems, richt zich op zonnecellen die goedkoop en snel in grote hoeveelheden geproduceerd kunnen worden. Daarvoor heb je materialen nodig die je vanuit oplossing kunt ‘printen’. Het opdampen van de verbindingslaag in de tandemcel (zoals de dubbellaags cel is gedoopt) zou veel te veel tijd kosten.

Gilot gebruikte als verbindingslaag daarom een laagje nanodeeltjes van zinkoxide met hierop aangebracht een flinterdun laagje plastic (enkele tientallen nanometers). De nanodeeltjes zijn in staat elektronen te transporteren, terwijl de plasticlaag ‘gaten’(positief geladen gebiedjes waar een elektron ontbreekt) collecteert. Samen zorgen ze voor een gesloten stroomkring. “We hebben cellen gemaakt met wel zes actieve lagen. Dat betekent dat je in totaal, exclusief elektrodes, zeventien lagen vanuit oplossing moet aanbrengen. Dat lukt ons in twintig minuutjes. Met die zonnecel hebben we spanningen bereikt van 3,6 volt.” Dat is veel meer dan de spanning over een enkele laag, maar de rendementsverhoging viel voor deze multilaags cel relatief laag uit. “Dat komt doordat we voor elke laag hetzelfde materiaal hadden gebruikt en je dus nog steeds een beperkt deel van het spectrum benut.”

De volgende stap was daarom om eens te kijken naar twee verschillende plastics die elkaar goed aanvullen. En vervolgens de juiste verhouding tussen de diktes van deze lagen te bepalen. Daarvoor stelde Gilot een model op met een voor het zonnecelwereldje verrassend resultaat tot gevolg: “Men dacht altijd dat bij de optimale laagdikte de cellen elk dezelfde stroom leveren. Maar uit mijn model bleek dat niet zo te zijn. Je kunt het zo ontwerpen dat de laag die de meeste stroom genereert, de andere als het ware helpt.”

Uiteindelijk viel de keuze op een tandemcel met een 180 nanometer dikke laag die het blauwe en groene licht absorbeert (tot 650 nanometer), met daaronder een laag van 125 nanometer die het overgebleven rode en infrarode licht opneemt (tot 900 nanometer). Het totale rendement is vijf procent. Beduidend meer dan de drieënhalf tot vier procent van elke cel afzonderlijk. Maar lang niet de som van beide rendementen, geeft Gilot toe. “Je kunt het rendement van de tandemcel ook niet eenvoudig afleiden uit de rendementen van de individuele cellen. Ik heb in mijn model zowel de elektrische als de optische eigenschappen van de tandemcel voor alle mogelijke combinaties van laagdiktes moeten doorrekenen om tot het optimale rendement te komen.”

De genoemde rendementen gelden overigens voor standaardlicht (aangeduid met de code AM1.5G), vergelijkbaar met het licht dat de cel in een realistische praktijksituatie ontvangt, inclusief de absorptie door de atmosfeer bij een invalshoek van 48 graden. Daarnaast mat Gilot met een speciale laser de absorptie-efficiency van de tandemcel iedere golflengte( kleur) van het licht afzonderlijk.

Er zijn tegenwoordig zonnecellen gemaakt van nieuwe plastics die wel acht procent rendement halen, beduidend meer dan de tandemcel van Gilot en zijn collega’s. Hij geeft de snelle vooruitgang in het veld als verklaring. “Toen wij hier tweeënhalf jaar geleden aan begonnen, hebben we de plastics gekozen die op dat moment het beste rendement gaven. Sindsdien zijn er nieuwe materialen gekomen met hogere rendementen. Maar de methode die we hebben ontwikkeld is ook toepasbaar op nieuwe materialen.” De plastic tandemzonnecel gaat in zijn ogen dan ook een zonnige toekomst tegemoet. (TJ)/.