Advertentie
Zonnepanelen komen langzaam maar zeker dichter bij het theoretische maximum en grote verbeteringen in efficiëntie zijn daarmee vrijwel onmogelijk geworden. Deze zogenaamde Shockley-Queisser limiet betekent dat maximaal een derde van de lichtenergie in elektriciteit kan worden omgezet. Dit wordt (deels) veroorzaakt doordat de maximale spanning waarop zonnepanelen werken relatief laag is. Één mogelijke oplossing voor dit probleem zijn zogenaamde “Bulk Photovoltaic Effect” of (BPVE)-panelen. Deze maken gebruik van een kwantumfysische eigenschap waarmee licht direct in stroom omgezet kan worden.
De onderzoekers aan Kyoto University lijken er nu in geslaagd te zijn om dit effect te gebruiken om elektriciteit op te wekken. Dit is geen gemakkelijke opgave aangezien BPVE zich alleen voor kan doen in materialen met een zeer specifieke set aan eigenschappen. Om het effect te activeren moet licht elektronen in het materiaal stimuleren in een enkele richting. In gewone zonnepanelen gebeurt dit in willekeurige richtingen en worden de vrijgekomen elektronen vervolgens gestuurd door een voltage van buiten de zonnecellen zelf. Dit beperkt het maximale voltage op de panelen en daarmee de efficiëntie.
Door gebruik te maken van twee specifieke verschillende materialen is het de onderzoekers gelukt om een continue stroom van elektronen te veroorzaken zonder dat daarbij een externe spanningsbron vereist is. Dit is mogelijk door een laag met een dikte van slechts een enkel atoom van licht sensitieve halfgeleiders te gebruiken, met daaronder een magnetisch materiaal. Door deze combinatie kan een proces genaamd ‘Asymmetrische foto-excitatie plaatsvinden. Hierbij worden elektronen in een bepaalde richting geduwd door een asymmetrische kristalstructuur. Daarnaast beïnvloedt het magnetische veld ook de ‘tijd-symmetrie’ van het proces waardoor het niet even eenvoudig is voor een elektron om weer terug te gaan naar zijn oorspronkelijke plaats. Deze asymmetrieën zorgen er vervolgens voor dat de elektronen een enkele kant opgeduwd worden, ook op een macro-schaal. Dit zorgt voor een stroom in het materiaal, zonder dat daarbij een spanning van buitenaf moet worden geïnduceerd.
Door variatie aan te brengen in de temperatuur, spin oriëntatie, en een magnetisch veld werd ook een magnetische injectiestroom gevonden. Hiermee zijn de eigenschappen van deze technologie te sturen door middel van magnetische velden. Volgens Kazunari Matsuda, de leider van het onderzoek, zijn de resultaten van het onderzoek niet alleen relevant voor het opwekken van energie, maar ook voor sensoren en spintronica. Een ander voordeel is dat sensoren of zonnepanelen op basis van deze technologie extreem dun en vrijwel onzichtbaar kunnen zijn. Hoewel de technologie nog in zijn kinderschoenen staat is deze dus veelbelovend en kan deze zelfs beperkingen van huidige technologie compleet doorbreken.