De 3^e generatie: hoogrendement zonnecellen

Hoewel met de dunne laag zonnecellen naar verwachting binnen een 5-10 jaar een flinke kostprijsreductie per kWh kan worden bereikt (mogelijk een factor 2 tot 3), zal de opwekkingsprijs nog altijd aanzienlijk hoger dan die van de meer gangbare elektriciteitsopwekkingssystemen. Dit is onder meer een gevolg van de nog lage rendementen. Men denkt dat het op termijn mogelijk moet zijn op dat punt forse vooruitgang te boeken. Theoretisch is het maximale rendement van fotovoltaïsche omzetting 85%. Het maximale rendement van een éénlaags kristallijn cel bedraagt 33%. De ambitie bij de 3^e generatie zonnecellen is dan ook het rendement met een factor 2 tot 3 te verbeteren. We hebben eerder gezien dat zonnecellen dan volledig competitief zullen gaan worden met andere vormen van elektriciteitsopwekking.  

Nieuwe concepten

Een aantal nieuwe concepten om het rendement van zonnecellen drastisch te verbeteren wordt als veelbelovend beschouwd. Het begrip van deze concepten staat evenwel nog in de kinderschoenen. In essentie gaat het om de relatie tussen enerzijds materiaalsamenstelling en -structuur en anderzijds de dynamica van foto-excitatie, vorming en relaxatie van vrije ladingen, ladingsrecombinatie en transport. Juist de combinatie van fundamenteel  onderzoek en onderzoek gericht op toepassing van de nieuwe concepten in toekomstige zonnecellen is veelbelovend. De concepten bewegen zich rond:  

• Impact ionization
  De extra energie van hoogenergetische fotonen wordt benut om meerdere elektron-gat combinaties te vormen, in plaats van dat deze via thermalisatie verloren gaat (figuur 9).  Met name halfgeleidende nanodeeltjes lijken kansen te bieden voor dit grotendeels nog onbegrepen impact ionization proces.
• Hot carrier cells
  Een andere route is om de energie van de ‘in overmaat aangeslagen’ ladingdragers af te voeren voordat deze energie in warmte wordt omgezet. Door de korte levensduur van de aangeslagen toestand moet de ladingsscheiding op nanoschaal tot stand komen (korte ladingstransporttijden) in plaats van op de huidige micrometerschaal.
• Spectrale downconversie
  De overmaat aan energie van  fotonen uit het groene, blauwe en UV  deel van het zonnespectrum kan benut worden door zo'n energierijk foton om te zetten in 2 fotonen met een lagere energie, die elk een ladingsdragerpaar aanmaken.
• Multiband cells
  Voor hoogrendement zonnecellen is ook dat deel van het zonlichtspectrum van belang waarvan de fotonen juist te weinig energie hebben om elektron/gat combinaties te creëren. Dit licht gaat bij de huidige 2 generaties zonnecellen volledig verloren. Met multiband cells worden systemen ontwikkeld waarbij meerdere fotonen uit het rode deel van het spectrum een elektron in stappen exciteren. Ook hier zijn uiterst kleine afstanden (nanoschaal) tussen actieve gebieden van eminent belang.

Nieuwe materialen

Onder meer in Delft en Groningen wordt veel aandacht besteed aan het gebruik van goedkope organische materialen (plastics) om het licht te absorberen. Het lijkt erop dat organisch materiaal in combinatie met titaniumoxide in minuscule nanokristallen grote potentie heeft. Titaniumoxide is een zeer goedkope grondstof die onder meer in latex en tandpasta wordt verwerkt.