JaarVerslag Van heT naar foToVolTaÏsChe energieConVersie … · Fotovoltaïsche conversie (PV) is de meest directe manier om onze belangrijkste duurzame bron van energie te benutten:

20062006JaarVerslag Van heTfom-shell-CW onderZoekprogrammanaar foToVolTaÏsChe energieConVersie

20062006 Joint Solar Programme

2 | JAARVERSLAG 2006 FOM-SHELL-CW JOINT SOLAR PROGRAMME

COLOFON

TEKSTProgrammacommissie en projectleiders van het Joint Solar Programme (JSP)

FOTO OMSLAGLuuk van der Lee/HH

VORMGEVING EN PRODUCTIEBadoux Drukkerij bv, Nieuwegein

CONTACTADRESdrs. M.J. BartelsProgrammabureau JSPPostbus 30213502 GA UtrechtTelefoon (030) 600 12 17Fax (030) 601 44 06E-mail: [email protected]

Uitgave maart 2007Oplage 400 exemplaren


J A A R V E R S L A G VA N H E T F O M - S H E L L - C W J O I N T S O L A R P R O G R A M M E ( J S P ) 2 0 0 6

Inhoudsopgave

WOORD VOORAF .......................................................................................................... 5

INLEIDING .................................................................................................................... 7

ORGANISATIE ............................................................................................................... 9

ACTIVITEITEN ........................................................................................................... 10

PROJECTEN ................................................................................................................. 15



Woord vooraf

Er is nog steeds een groot verschil tussen het rendement van de beste zonnecellen in het laboratorium en het theoretische maximumrendement van fotovoltaïsche conversie. Het rendement van commercieel verkrijgbare zonnecellen is bovendien nog eens aanzienlijk lager dan dat van laboratoriumcellen.

Het Joint Solar Programme (JSP) beoogt het fundamenteel en exploratief onderzoek aan verschijnselen en materialen voor fotovoltaïsche energieconversie in Nederland te stimule-ren, met het doel het conversierendement van zonne-energie naar elektriciteit op de lange termijn drastisch te verhogen. Het JSP sluit daarmee goed aan bij de groeiende aandacht voor zeer hoge rendementen in Europese onderzoekprogramma’s, maar ook bijvoorbeeld in de Verenigde Staten, Japan en Australië.

Het Joint Solar Programme is medio 2004 ingesteld door de Stichting Shell Research, de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) en het gebied Chemische Weten-schappen (CW) van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Het programma is specifiek bedoeld om nieuwe conversieprincipes, devices en materialen te onderzoeken en de noodzakelijke fundamentele kennisbasis te verbreden. Ook onderzoek naar wezenlijk nieuwe methoden voor het maken van materialen en devices en echte doorbraken op het gebied van bestaande concepten vallen binnen het JSP.

In het jaarverslag 2006 doet de JSP-programmacommissie verslag van de (mede) door haar georganiseerde activiteiten en de behaalde onderzoeksresultaten in 2006. Dit jaar stond voor de meeste projectleiders nog in het teken van het starten van hun JSP-project. Na de honorering van hun voorstel in 2005 werd de eerste periode gebruikt voor het werven van goede onderzoekers in opleiding en postdocs. Inmiddels zijn de beschikbare posities ingevuld door jonge enthousiaste mensen die graag hun steentje bijdragen aan het verduur-zamen van onze energievoorziening. Ondanks de korte tijd sinds de start zijn er in 2006 al enkele publicaties in wetenschappelijke toptijdschriften verschenen.

Belangrijke taken van de programmacommissie zijn het bevorderen van netwerkvorming, zorgdragen voor de verspreiding van de resultaten van het onderzoek naar potentiële gebruikers bij kennisinstellingen en bedrijven en het bevorderen van het gebruik van de resultaten door deze groepen. In dit verband heeft het JSP bijgedragen aan de organisatie van de jaarlijkse zonneceldag, een Europese zomerschool voor jonge onderzoekers en een eigen periodieke JSP-bijeenkomst. De programmacommissie heeft tevens het initiatief genomen tot het oprichten van de landelijke strategische alliantie SPECTACLE (Solar Photovoltaic Energy Conversion Technology And Concerted Large-scale Exploitation).

Kortom, dit jaarverslag biedt u een verdere blik op het Joint Solar Programme. Het behandelt de voortgang van de onderzoeksprojecten en verhaalt over de overige programma-activitei-ten. Namens de programmacommissie JSP wens ik u veel leesplezier.

prof.dr. Wim Sinkevoorzitter



Inleiding

Fotovoltaïsche conversie (PV) is de meest directe manier om onze belangrijkste duurzame bron van energie te benutten: de zon. Met behulp van PV kan zonlicht zonder tussenstappen worden omgezet in elektriciteit. Deze eigenschap maakt PV breed toepasbaar en biedt in potentie zeer hoge energieconversierendementen.

Figuur 1 laat zien dat in de huidige generatie zonnecellen minder dan de helft van de energie in het zonnespectrum feitelijk wordt gebruikt. Door ervoor te zorgen dat de gehele energie van alle fotonen wordt gebruik zouden daarom veel hogere conversierendementen kunnen worden bereikt. Wanneer in aanvulling daarop ook nog eens de recombinatieverlie-zen worden verlaagd (of liever gezegd, wanneer de balans tussen generatie en recombinatie wordt verschoven ten gunste van generatie), kan het ultieme rendement van 85% worden bereikt.

Efficiënt gebruik van het zonnespectrum is waarschijnlijk de beste manier om op een duurzame manier in de groeiende energiebehoefte van de mensheid te voorzien. Dit maakt onderzoek op dit terrein tot (maatschappelijk) hoogst relevant. Aan de andere kant zijn ook de wetenschappelijke uitdagingen nog enorm, waardoor het voor onderzoekers een zeer interessant werkterrein vormt. Het verkleinen van het verschil tussen de huidige rende-mentswaarden (maximaal 15%) en het theoretische maximum van 85% is zeer belangrijk en kan niet worden bereikt met toegepast onderzoek en geavanceerde technologie alleen. Het vereist een diepgaand begrip van de onderliggende mechanismen en de ontwikkeling van geheel nieuwe omzettingsprincipes en celconcepten.

Hoewel diverse typen zonnecellen aanzienlijk verschillen in ontwerp en praktische werking, impliceert de wens tot efficiënte omzetting van een regenboog aan fotonenergieën (het zonnespectrum) over het algemeen het optimaliseren van de volgende stappen:• fotonabsorptie en vorming + transport van ladingsdragers of ladingsvoorlopers

(‘precursors’);• scheiding van positieve en negatieve ladingsdragers;• transport van ladingsdragers naar de device-contacten.

Figuur 1. Vermogensdichtheid als functie van de golflengte in een typisch (aards) zonnespectrum (Air Mass 1,5). Het grijze gebied geeft het gedeelte aan dat (in principe) met behulp van een kristallijn-siliciumcel kan worden omgezet in elektrische energie. De pijl wijst naar de bandenergie van kristallijn silicium (1,1 elek- tronvolt, overeen- komend met een golflengte van 1100 nm). Met dank aan dr. J.J. Schermer, Radboud Univer- siteit Nijmegen.


In het programma worden onderzoekers uitgedaagd om voorbij huidige grenzen te gaan op deelterreinen van de fundamentele fysica, chemie en device-ontwerp gericht op het bewerkstelligen van doorbraken in fotovoltaïsche conversie. Dit komt tot uiting in de algemene onderzoeksvragen van het Joint Solar Programme:• Het verkleinen van de kloof tussen de prestaties (inclusief stabiliteit) van laboratorium-

cellen en de geschatte praktische limieten voor cellen die nog een doorbraak vragen in fundamenteel begrip, zoals polymere zonnecellen. Ook werkelijk innovatieve vervaar- digingsmethoden voor zulke devices vallen hierbinnen.

• Het overbruggen van de kloof tussen het rendementsgebied van de huidige zonnecellen (5-40%) en de theoretische limiet van 85%, door het toepassen van nieuwe (3GPV) conversieconcepten .

Het Joint Solar Programme is uitdrukkelijk niet opgezet om toegepast of toepassingsgericht onderzoek aan zonnecellen te stimuleren. Voor dit type onderzoek bestaan andere program-ma’s in Nederland en Europa.

Teneinde de beoogde wetenschappelijke doorbraken te bewerkstelligen heeft de programma-commissie van het Joint Solar Programme van FOM, CW en de Stichting Shell Research zich de volgende doelen gesteld:1. Het scheppen van mogelijkheden voor nieuwe generaties zonnecellen (PV-cellen) met

aanzienlijk verbeterde eigenschappen, door het verkennen en onderzoeken van nieuwe conversieprincipes, device-concepten en vervaardigingstechnieken.

2. Het bereiken van synergie en versnelling door het betrekken van nieuwe groepen en disci-plines bij het PV-gerelateerde onderzoek.


Organisatie

Het Joint Solar Programme is een zogenaamd Industrial Partnership Programme (IPP) van de Stichting voor Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM). IPP’s zijn programma’s voor fundamenteel onderzoek waarin FOM-medewerkers nauw samenwerken met collega’s uit de industrie. De participerende bedrijven dragen hierin minimaal 50% van de kosten.

De partners van FOM in het Joint Solar Programme zijn de Stichting Shell Research en het gebied Chemische Wetenschappen (CW) van de Nederlands Organisatie voor Wetenschap-pelijk Onderzoek (NWO).

Per ultimo 2006 dragen de drie partners de volgende middelen bij aan het programma:

Stichting Shell Research kc 2.046Stichting FOM kc 1.125Chemische Wetenschappen kc 675 +

Totale omvang programma kc 3.846

Het programma kent een stuurgroep - bestaande uit vertegenwoordigers van de financiers - die toezicht houdt op de uitvoering van het programma. In 2006 bestond deze stuurgroep uit:• drs. H.G. van Vuren, FOM (voorzitter)• mr.dr. P.W. Kwant, Shell• dr. L.B.J. Vertegaal, CW• drs. M.J. Bartels, FOM (secretaris)

Voor de aansturing en bewaking van het programma en van de binnen het programma vallende onderzoeksprojecten is een programmacommissie ingesteld, bestaande uit experts uit de Nederlandse industrie en onderzoeksinstellingen. Deze programmacommissie heeft tevens tot taak het bevorderen van (kennis) netwerkvorming, het mede-behartigen van de belangen van de betrokkenen (bijvoorbeeld op het gebied van kennisbescherming), het (doen) zorgdragen voor de verspreiding van de resultaten van het onderzoek naar potentiële gebruikers bij kennisinstellingen en bedrijven en het bevorderen van het gebruik van de resultaten door deze groepen en het bevorderen van de verankering van het door het programma gestimuleerde onderzoek.Daarnaast bewaakt de programmacommissie de wetenschappelijke kwaliteit van het programma door het (laten) toetsen van nieuwe onderzoeksvoorstellen (mede op basis van adviezen van externe deskundigen) en door monitoren van lopende projecten door middel van periodieke verslagen.

In 2006 bestond de programmacommissie uit:• prof.dr. W.C. Sinke, ECN, Universiteit Utrecht (voorzitter) • prof.dr. J.C. Hummelen, Rijksuniversiteit Groningen• dr. G.J. Jongerden, Nuon • prof.dr. A. Polman, FOM-Instituut AMOLF• prof.dr. R.E.I. Schropp, Universiteit Utrecht• drs. J.J.T. Smits, Shell • drs. M.J. Bartels, FOM (secretaris)• dr. T. Kulkens, CW (waarnemer) - tot 1 april 2006• dr. S.W.H. van Weelden, CW (waarnemer) - vanaf 1 april 2006

De programmacommissie beslist bij meerderheid van stemmen; indien nodig heeft de voorzitter een beslissende stem. De afgevaardigde van CW en de secretaris hebben in de vergaderingen een raadgevende stem.


Activiteiten

ZOMERBIJEENKOMST BIJ ECN

Teneinde de coherentie tussen de verschillende projecten te bevorderen organiseert de programmacommissie twee maal per jaar een eigen JSP-bijeenkomst. Op 21 juni 2006 vond de eerste bijeenkomst plaats. Een groep van 15 onderzoekers, projectleiders en programma-commissieleden was hiervoor afgereisd naar ECN in Petten. Na uitgebreide bespreking van de eerste wetenschappelijke resultaten en technische problemen werden mogelijkheden voor gezamenlijke experimenten besproken. De dag werd afgesloten met een bezichtiging van de faciliteiten van de afdeling Zonne-energie van ECN.

Figuur 2. Groepsfoto genomen tijdens de JSP-zomerbijeenkomst 2006.

ZONNECELDAG 2006

Voor de vierde keer op rij vond op 27 september 2006 de jaarlijkse zonneceldag ‘Dutch Solar Cell R&D Seminar’ in het Utrechtse Muziekcentrum Vredenburg plaats. Deze dag biedt een platform aan iedereen die zich in Nederland professioneel bezighoudt met onderzoek en ontwikkeling van zonnecellen. De zonneceldag is daarmee uitermate geschikt om een ieder op te hoogte te houden van de nieuwste inzichten, een netwerk te onderhouden of uit te breiden met nieuwe contacten en daarmee mogelijkheden voor samenwerking en kruisbestuiving van verschillende onderzoekslijnen te bevorderen.

De zonneceldag 2006 werd georganiseerd door het Joint Solar Panel (samenwerkingsverband tussen Shell Global Solutions en ECN), SenterNovem en FOM. De dag werd gezamenlijk gefinancierd door het Joint Solar Programme en SenterNovem.

Met 143 deelnemers, 40 posters en enkele bedrijfsstands was de zonneceldag 2006 een groot succes. Het programma omvatte presentaties van fundamenteel onderzoek (bijvoorbeeld


door prof.dr. Mischa Bonn over zijn JSP-project 05JSP03) tot zeer applicatiegericht onderzoek. Wederom spraken er twee buitenlandse onderzoekers van grote naam. Hieronder volgt een overzicht van het programma.

• Paul de Jong (ECN) High-efficiency solar modules; why traditional concepts fail and must be replaced by a back-contact module assembly

• Albert Goossens (Delft) Low-cost PV with solid-state nanocomposites of TiO2 and CuInS2

• Giso Hahn (Konstanz) Overview of silicon ribbon technologies for cost reduction in photovoltaics

• Mischa Bonn (AMOLF) Hot carriers in nanocrystal quantum dots for solar cells• Huub de Groot (Leiden) From photosynthesis to artificial photosynthesis• Michael Debije (Eindhoven) Using selectively reflecting organic layers to enhance the

output of a luminescent solar concentrator• Jef Poortmans (IMEC) Thin, thinner, thinnest, an evolutionary vision on Si-based PV• Bernd Stannowsky (Nuon) Challenges in the development of thin-film silicon PV• Erik Lysen (Utrecht) Past and present: the track record of solar electricity

Figuur 3. Sfeerbeelden van de zonneceldag 2006.


ZOMERSCHOOL

Vanuit de organisatie European Society for Quantum Solar Energy Conversion (QUANTSOL) organiseerde prof.dr. Peter Würfel (Universiteit Karslruhe) van 23 tot 29 september 2006 de intensieve cursus ‘Basic Principles and Advanced Concepts of Quantum Solar Energy Conversion’.

De programmacommissie hecht groot belang aan dit type scholing van de jonge JSP-onderzoekers. Toen in de voorbereiding van de cursus bleek dat deze vanwege gebrek aan financiële middelen wellicht geen doorgang kon vinden heeft de JSP-stuurgroep op advies van de programmacommissie een bedrag van kc 7 ter beschikking gesteld voor de locale organisatie onder andere ter bekostiging van de reis- en verblijfkosten van de docenten.

Figuur 4. Groepsfoto deelnemers en docenten van de QUANTSOL zomerschool.

Figuur 5. Tijdens de excursie werd de top van de Walmendinger Horn (1940 m) beklommen.


Er namen 37 studenten uit 7 verschillende landen deel aan de cursus die plaats vond in Hirschegg, Kleinwalsertal te Oostenrijk. Er waren 16 cursisten uit Nederland, waarvan er 6 binnen het Joint Solar Programme werkzaam zijn. De cursus werd gegeven door de volgende 7 topdocenten uit verschillende Europese onderzoeksinstituten:• prof.dr. G. Calzaferri (Universität Bern): Energie-overdracht in antennesystemen• dr. N.P. Harder (ISFH, Hameln): Recente ontwikkelingen in silicium zonnecellen• prof.dr. J.C. Hummelen (Rijksuniversiteit Groningen): Organische zonnecellen• prof.dr. R. Hunger (Technische Universität Darmstadt): Chemie en fysica van interfaces• prof.dr. L. Peter (University of Bath): Elektrochemische zonnecellen en meettechnieken• prof.dr. D. Vanmaekelbergh (Universiteit Utrecht): Fysica van halfgeleider quantum dots• prof.dr. P. Würfel (Universität Karlsruhe): Principes van fotovoltaïsche devices

De gehele groep studenten en docenten verbleef gedurende de cursusperiode in het afgelegen Waldemar-Petersen huis. Het niveau van de cursus sloot goed aan bij de kennis van de studenten zodat tijdens, maar vooral ook na de colleges intensieve discussies plaatsvonden tussen studenten en docenten.

Samenvattend was de cursus een groot succes, de docenten en deelnemers waren enthousiast en de inhoud sloot goed aan bij de wensen van de JSP-programmacommissie. De organisatie is het Joint Solar Programme zeer dankbaar voor de financiële bijdrage.

TIMON VAN WIJNGAARDEN (PROMOVENDUS IN PROJECT 05JSP14)

‘Eind september heb ik samen met on-geveer 50 jonge onderzoekers een week in de Oostenrijkse bergen doorgebracht. Niet om vakantie te vieren, maar om er een zomerschool over fotovoltaïsche energieconversie bij te wonen. Het doel van deze zomerschool was om zowel de basis van energieconversie door fotovoltaïsche cellen als de meest recente ontwikkelingen op dit gebied te behandelen. Dit leidde tot zeer gevarieerde lezingen over onderwerpen als de fundamentele principes waarop zonnecellen gebaseerd zijn en nieuwe productietechnieken voor zonnecellen tot een onderwerp als quantum dots. Dat laatste lijkt nog niet zoveel met zonnecellen te maken te hebben, maar deze lezingen lieten zien dat dat in de toekomst zeker verandert.’‘Voor mij als eerstejaars promovendus in het Joint Solar Programme die in het dagelijkse onderzoeksleven niet zoveel met zonnecellen zelf te maken heeft, was het een nuttige week. Het was een mooie gelegenheid om mijn kennis van fotovoltaïsche energieconversie bij te spijkeren en ik kreeg ook een beeld van de verschillende onderzoeks- gebieden binnen de zonnecelgemeenschap. Mijn eigen onderzoek is nu nog ver verwijderd van een toepassing in een zonnecel, maar dat maakte deze zomerschool niet minder leerzaam. Het heeft mijn kennis en betrokkenheid bij het zonnecelonderzoek vergroot, en dat is iets waar ik later in mijn promotie zeker mijn voordeel mee kan doen.’


SPECTACLE

In januari 2006 nam de programmacommissie van het Joint Solar Programme het initiatief om te komen tot een voorstel voor het Smartmix-programma van NWO en SenterNovem. De uitdagingen in het onderzoek en bij implementatie van zonnecellen in productie zijn geïnventariseerd en van daaruit zijn enkele onderzoeksthema’s geformuleerd die zowel voor kennisinstellingen als het bedrijfsleven van belang zijn. In voorjaar en zomer 2006 werden de verschillende thema’s uitgewerkt en werd een strategische alliantie opgericht, genaamd SPECTACLE, met als doel de versnelling van kostenreductie van zonne-elektriciteit. SPECTACLE is een acroniem voor Solar Photovoltaic Energy Conversion Technology And Concerted Large-scale Exploitation.In de alliantie nemen naast verschillende universiteiten en ECN ook alle vijf Nederlandse bedrijven met zonnecelactiviteiten deel. Shell Global Solutions, Nuon/Helianthos, Solland Solar Energy, Scheuten Glasgroep en Advanced Surface Technology hebben daarbij stevig commitment laten zien. SPECTACLE is wereldwijd een unieke strategische alliantie, omdat voor het eerst alle Nederlandse zonnecelkennis en -productie(ontwikkeling) voor verschillende zonneceltechnologieën bij elkaar is gebracht. Met behulp van de excellente onderzoeksgroepen aan de universiteiten en ECN, zullen de vijf bedrijven de komende tijd kunnen gaan profiteren van een periode van groei op de energiemarkt. SPECTACLE is een modelvoorbeeld van ‘kennisvalorisatie’.

Figuur 6. Logo van de alliantie SPECTACLE.

De eerste actie van deze nieuwe alliantie was dan ook het indienen van een aanvraag in de ronde van 1 december 2006 van het Smartmix-programma (penvoerder Universiteit Utrecht). In de adviesraad van SPECTACLE zal o.a. prof. drs. Ruud F.M. Lubbers (voormalig minister-president) zitting hebben. Het hoofddoel van het Smartmix-programmavoorstel is het bewerkstelligen van kostenreductie van zonne-elektriciteit. Het SPECTACLE-programma zal een krachtige stimulans zijn voor de versnelde ontwikkeling van duurzame elektrici-teitsproductie in Nederland. Het verwachte resultaat (bij honorering van de aanvraag) is 50% rendementsverbetering en reductie van de kosten van zonnestroom met een factor 5 naar 0,1 c/kWh (= gelijk aan kleinverbruikerkosten van het net). De waarde voor de maatschappij is evident: 5000 banen in 2015, duurzame elektriciteit,dus zonder CO2-productie. Integratie van zonnepanelen in de Nederlandse gebouwde omgeving, maar ook de exportmarkt zullen leiden tot omzetstijging van de betrokken bedrijven.

Projecten

Binnen het programma zijn in 2005 acht projecten gehonoreerd. Het jaar 2006 stond voor de meeste projectleiders nog in het teken van het starten van hun JSP-project. Na de honorering van hun voorstel werd de eerste periode gebruikt voor het werven van goede onderzoekers in opleiding en postdocs. Inmiddels zijn de beschikbare posities ingevuld door jonge enthousiaste mensen die graag hun steentje bijdragen aan het verduurzamen van onze energievoorziening. Ondanks de korte tijd sinds de start zijn er in 2006 al enkele publicaties in wetenschappelijke toptijdschriften verschenen. Hieronder volgt een uitge-breide beschrijving van de bezetting en voortgang van deze projecten.

Eind 2006 werd het JSP-programma verder versterkt met een nieuw project ‘Plasmon- enhanced solar cells’ (06JSP26) dat zal worden uitgevoerd in de groep van prof.dr. A. Polman bij het FOM-Instituut AMOLF. De onderzoeker op dit project, dr. Kylie Catchpole, is afkomstig van de School of Photovoltaic and Renewable Energy Engineering van de University of New South Wales (UNSW), Australië. Dit instituut wordt wereldwijd gezien als het top-instituut voor zonnecelonderzoek. Het onderzoeksproject van Catchpole biedt een unieke mogelijkheid om de banden van het JSP-programma met het top-instituut van de UNSW te versterken. Het project is volledig gefinancierd uit steun van de Stichting Shell Research.

1� | Jaarverslag�006FOM-shell-CWJOintsOlarPrOgraMMe

››


Hot nanocrystals for effi cient solar cells Projecttitel Hot nanocrystals for effi cient solar cells

Projectnummer 05JSP03

Affi liatie FOM-Instituut AMOLF, Universiteit Utrecht

Projectleider(s) Prof.dr. M. Bonn, prof.dr. D.A.M. Vanmaekelbergh

Personnel: Naam Positie Startdatum Einddatum Ir. J. Pijpers OIO 01-02-2006 31-01-2010

I. Stavenuiter Technicus (33%) 01-02-2006 31-01-2010

Het doel van het project is om te onderzoeken in hoeverre quantum dots gebruikt kunnen worden als licht-absorberende materialen in zonnecellen. Quantum dots zijn kleine bolletjes halfgeleiders (1~10 nm in diameter) die unieke eigenschappen hebben vanwege hun geringe afmetingen. Zo kunnen absorptie-eigenschappen van quantum dots veranderd worden door de grootte te variëren. Na absorptie van een foton zitten de gegenereerde ladingsdragers als het ware ‘gevangen’ in een zeer klein volume. Hierdoor kunnen er allerlei ongebruikelijke interacties optreden tussen de foto-gegenereerde ladingsdragers. Een voorbeeld hiervan is Carrier Multiplication. In dit proces worden twee of meer ladings-dragers gegenereerd na de absorptie van één enkel foton. Dit fenomeen is vanzelfspreken-derwijs zeer interessant voor het gebruik van quantum dots in zonnecellen. In conventionele zonnecellen wordt namelijk per foton maar één ladingsdrager gegenereerd en de overmaat aan energie die de fotonen bezitten wordt omgezet in warmte. Door Carrier Multiplication wordt deze overmaat aan energie omgezet in een extra ladingsdrager, waardoor de omzet-ting van licht in ladingsdragers (oftewel elektrische stroom) effi ciënter verloopt.

Figuur 7. De absorptie van één enkel foton door een quantum dot van indiumarsenide leidt tot de vorming van twee of meer ladingsdragers. Dit verschijnsel wordt ‘Carrier Multiplication’ genoemd en is van groot belang voor de potentiële toepassing van quantum dots als licht-absorberende materialen in zonnecellen.


Het optreden van Carrier Multiplication is reeds aangetoond in quantum dots van materialen als cadmiumselenide en loodselenide. Een nadeel van deze materialen is dat Carrier Multiplication alleen optreedt na absorptie van fotonen met hoge energie. Op het FOM-Instituut AMOLF is recentelijk aangetoond dat Carrier Multiplication ook optreedt in quantum dots van indiumarsenide. De theoretische voorspelling was dat Carrier Multiplication in dit materiaal ook zou moeten plaatsvinden na absorptie van fotonen met relatief lage energie. Deze voorspelling is experimenteel bevestigd met behulp van TeraHertz-spectroscopie. Met THz-spectroscopie is het mogelijk om dynamische processen waar te nemen die plaatsvinden op ultrasnelle (10-12 seconde) tijdsschalen. Eerst absorberen de quantum dots zeer snelle pulsen zichtbaar licht, waardoor ladingsdragers gegenereerd worden. Deze pulsen zijn ongeveer 100 femtoseconden (100*10-15 s) lang, wat nodig is om de ladings-dynamica met afdoende tijdsresolutie te kunnen volgen. Vervolgens worden de veranderin-gen in de quantum dots gedetecteerd met een tweede bundel van laag-energetisch licht. Dit licht (THz-frequenties) heeft een sterke interactie met ladingsdragers en aan de hand van de transmissie van de THz-bundel door een sample kan bepaald worden wat voor processen de ladingsdragers ondergaan vlak nadat ze zijn gegenereerd.Een beter begrip van ladingsdynamica in nanogestructureerde halfgeleiders draagt bij aan de ontwikkeling van een nieuwe generatie effi ciënte zonnecellen. Het onderzoek op AMOLF is hiervoor een eerste stap in deze richting.

OUTPUT 2006 Direct observation of electron-to-hole energy transfer in CdSe quantum dots

E. Hendry, M. Koeberg, F. Wang, H. Zhang, C. de Mello Donegá, D. Vanmaekelbergh, M. BonnPhys. Rev. Lett. 96, 057408 (2006).


Towards high effi ciency impact ionization solar cells

Projecttitel Towards high effi ciency impact ionization solar cells

Projectnummer 05JSP04

Affi liatie Technische Universiteit Delft

Projectleider(s) Prof.dr. L.D.A. Siebbeles, dr. A. Goossens, prof.dr. J. Schoonman

Personnel: Naam Positie Startdatum Einddatum M.T. Trinh, M.Sc. OIO 01-05-2006 30-04-2010

Onderzocht wordt in hoeverre het mogelijk is om een deel van de zonne-energie die in conventionele zonnecellen verloren gaat in de vorm van warmte toch om te zetten in elektrische energie. Hiertoe wordt gebruik gemaakt van nanotechnologie. Ietwat gesimpli-fi ceerd: nanokristalletjes van 4 tot 8 nanometer diameter hebben de eigenschap dat de absorptie van een enkel foton kan leiden tot de excitatie van niet een enkel, maar meerdere elektronen. Deze meervoudig-aangeslagen elektronische toestand blijft tientallen pico-seconden bestaan, alvorens te vervallen naar een enkelvoudig-aangeslagen elektronische toestand. De uitdaging is om de meervoudig aangeslagen toestand te ‘oogsten’ in termen van elektriciteit alvorens het verval intreedt.De groep van Siebbeles is erin geslaagd de meervoudig aangeslagen elektronische toestand in een laserlaboratorium te realiseren en te meten. Volgende stap is de constructie van een prototype zonnecel die het mogelijk maakt om de toegenomen opbrengst van elektriciteit aan te tonen.

OUTPUT 2006 Poster: Mechanism of multi-exction formation in PbSe nanoparticles

M.T. Trinh, J.M. Schins, A.P.L.M. Goossens, A.J. Houtepen, D. Vanmaekelbergh, L.D.A. Siebbeles, Studiegroepen Ontwerp&Synthese/Structuur en Reactiviteit/Biomoleculaire Chemie, CongresHotel ‘De Werelt’, Lunteren, 23 - 25 oktober 2006.

Poster: Free-carrier photogeneration yields in P3HT, PPV, and polymer-C60 blends studied with ultrafast spectroscopyM.T. Trinh, J.M.Schins, E. Hendry, M. Bonn, L.D.A. Siebbeles, Studiegroep Macromoleculen, CongresHotel ‘De Werelt’, Lunteren, 5 - 6 februari 2006.

Figuur 8. In dit voorbeeld wordt de energie van één lichtdeeltje omgezet in drie elektron-gat- paren; als ze alle drie snel genoeg worden ‘geoogst’ (lees: omgezet in elektriciteit) is de opbrengst drie keer groter dan in een conventionele halfgeleider.


Hybrid impact ionization quantum dot solar cells

Projecttitel Hybrid impact ionization quantum dot solar cells

Projectnummer 05JSP13 Affi liatie Technische Universiteit Eindhoven

Projectleider(s) Prof.dr.ir. R.A.J. Janssen, dr. S.C.J. Meskers, dr.ir. M.M. Wienk

Personnel: Naam Positie Startdatum Einddatum

Dr. T. Hanrath postdoc 15-06-2006 14-03-2009

Quantum dot zonnecellen kunnen een effi ciëntie bereiken boven het thermodynamische conversierendement door gebruik te maken van de fotonenergie boven de bandafstand. In halfgeleiderkristallen met afmetingen op nanometerschaal is het mogelijk dat hete ladingsdragers een tweede elektron-gat-paar creëren door impactionisatie. Impactionisatie is een proces waarin na absorptie van een foton met een energie van minimaal twee keer de bandafstand een hoog-energetisch exciton gevormd wordt dat relaxeert naar de bandkant door energieoverdracht naar een elektron in de valentieband dat daardoor ook geëxciteerd wordt. Het resultaat van deze energieoverdracht is dat twee elektron-gat-paren gevormd worden uit één geabsorbeerd foton. Als impactionisatie toegepast kan worden in zonne-cellen kan dit leiden tot een aanzienlijke toename van het rendement. Ons ontwerp van hybride impactionisatie quantum dot zonnecellen is gebaseerd op het bulk-heterojunctie celontwerp waarin materialen met complementaire elektronische eigenschappen gemengd worden tot een bicontinu netwerk dat zorg draagt voor ladingsgeneratie en ladingstrans-port. Doel van project is te komen tot een eerste voorbeeld van impactionisatie in hybride

Figuur 9. Transmissie elektronenmicroscopie van PbSe en PbTe nano-kristallen. (A) lage vergroting die mono- en bi-laag nanokristal super-roosters toont (inzet deeltjesgrootte-verdeling), (B) hoge-vergroting foto van PbSe, (C) and (D) PbTe nanokristallen (inzet: HRTEM-foto van een enkel PbTe ‘truncated cube nanokristal’ met de (110) kristalvlakken).


cellen gebaseerd op PbSe nanokristallen in een transparante polymere geleider. Indien succesvol zou dit een doorbraak betekenen naar meer efficiënte, en mogelijk goedkope zonnecellen.

In het eerste jaar is aandacht besteed aan drie verschillende aspecten van quantum dot zonnecellen. Eerst is een theoretische en semi-empirische analyse gemaakt van de te verwachten rendementen. Deze analyse laat zien dat als rekening gehouden wordt met Auger-recombinatie in de quantum dot zonnecellen, de thermodynamische efficiëntielimiet toeneemt tot 53%, terwijl de semi-empirische limiet 41% is bij een optimale bandafstand van 0,7 eV. Deze bandafstand correspondeert goed met de energieën die gevonden worden voor chalcolgenide nanokristallen. Hoewel deze berekeningen een geïdealiseerd scenario beschrijven waarin elektron-fononinteracties zijn weggelaten, is het wel duidelijk dat gebruik van impactionisatie kan leiden tot 3e-generatie zonnecellen met rendementen die hoger zijn dan de normale 31% Shockley-Queisser-limiet.

De nanokristallen zijn gemaakt door PbO als precursor bij hoge temperatuur op te lossen in een niet-coördinerend oplosmiddel (squaleen) gevolgd door de injectie van de chalcogenide precursor (Se of Te in trioctylfosfine). De injectie verlaagt de temperatuur en maakt het mogelijk de nucleatie en groei van de nanokristallen te scheiden in de tijd waarmee controle over de diameter verkregen wordt. Transmissie-elektronenmicroscopie opnamen (zie figuur 9) laten PbSe en PbTe nanokristallen zien die op deze wijze gemaakt zijn.

Omdat de diameter van de nanokristallen veel kleiner is dan de Bohr-excitonstraal, zijn de golffuncties van het elektron en gat sterk begrensd door de afmeting van het deeltje, waardoor de bandafstand afhankelijk wordt van de grootte. Voor PbSe nanokristallen met een diameter van 4 – 8 nm varieert het begin van de absorptie van 0,5 tot 0,8 eV. De dynamica van de vermenigvuldiging van het aantal excitonen in deze nanokristallen is onderzocht met transiënte absorptiespectroscopie die vervaltijden voor biexcitonen geven van 40 tot 60 picoseconden.

Met deze resultaten is de basis gelegd voor de ontwikkeling van de beoogde 3e-generatie quantum dot zonnecellen.

OUTPUT 2006Poster: Hybrid Impact Ionization Quantum Dot Solar Cells T. Hanrath, Quantsol SummerSchool, 23 - 29 september 2006 in Hirschegg, Oostenrijk.


Photon management for solar cells Projecttitel Photon management for solar cells

Projectnummer 05JSP14 Affi liatie Universiteit Utrecht

Projectleider(s) Prof.dr. A. Meijerink, dr. A.M. Vredenberg

Personnel Naam Positie Startdatum Einddatum

Drs. L. Aarts OIO 01-11-2005 30-10-2009

Drs. J.T. van Wijngaarden OIO 01-01-2006 31-12-2009

Een belangrijke verliesfactor in de omzetting van zonlicht in elektrische energie door zonnecellen is de zogenaamde spectrale mismatch: een deel van het zonlicht kan niet door de zonnecel geabsorbeerd worden en gaat verloren. Een ander deel van het zonnespectrum wordt niet optimaal gebruikt: het spectrale deel met hoog-energetische fotonen (blauw en groen licht) geeft evenveel stroom per foton (lichtdeeltje) als het deel met laag-energetische fotonen (rood en infrarood). Meer dan de helft van de energie van de groene en blauwe fotonen gaat verloren als warmte en wordt niet omgezet in elektrische energie. Dit project is erop gericht om het zonnespectrum zo te manipuleren dat een groter deel van de energie nuttig gebruikt wordt. Om de energie van de hoog-energetische fotonen beter te benutten worden er materialen ontwikkeld die in staat zijn om één hoog-energetisch (ultraviolet, blauw of groen) foton om te zetten in twee infrarode fotonen die allebei door de zonnecel geabsorbeerd kunnen worden. Dit is vooral belangrijk voor de meest gebruikte zonnecel die gebaseerd is op kristallijn silicium en zorgt voor een stroomverdubbeling voor een belangrijk deel van het zonnespectrum. Met behulp van lanthanide-ionen is het mogelijk om de splitsing van fotonen te realiseren. Dit gaat met een proces dat down-conversion genoemd wordt. In het eerste jaar van het project zijn verschillende combinaties van lanthanide-ionen bestudeerd

Figuur 10. Artistieke weergave van up-conversion voor de omzetting van niet bruikbare infraroodstraling in zichtbaar licht dat wel door de zonnecel geabsorbeerd kan worden. De energie van twee infrarode fotonen wordt in twee stapjes ‘opgeteld’ tot een foton van hogere energie dat wel door de zonnecel geabsorbeerd kan worden. Met dank aan prof. Hans Güdel, Universiteit Bern, Zwitserland.


en is gevonden dat het koppel van erbium en ytterbium in staat is om voor het ultraviolette deel van het spectrum van één foton twee te maken. In de komende jaren worden andere koppels van lanthanide-ionen bestudeerd om een efficiënt koppel voor down-conversion te vinden. Daarnaast wordt gewerkt aan het omzetten van infrarode straling, die nu niet geabsorbeerd wordt in de zonnecel, in zichtbaar licht dat wel geabsorbeerd wordt. Om de efficiëntie van de absorptie van licht en de omzetting van het spectrum te vergroten worden ook nanodeeltjes van metaal ingebouwd die absorptie en omzetting van het licht door de lanthanide-ionen optimaliseren.

Figuur 11. Interactie tussen optisch actieve ionen en de plasmonresonantie in metalen nanostaafjes. (A) Verhogen absorptiesterkte.(B) Veranderen van de stralende levensduur van de optische overgang. (C) Veranderen van de waarschijnlijkheid van energieoverdracht tussen ionen. (D) Energieoverdracht van het ion naar het metalen nanostaafje.


Molecular up-conversion PV (µ-Power) Projecttitel Molecular up-conversion PV (µ-Power)

Projectnummer 05JSP15 Affi liatie Rijksuniversiteit Groningen

Projectleider(s) Prof.dr. J.C. Hummelen, prof.dr. B. Hessen


Dr. W. Kretschmer postdoc, 50% 15-05-2006 14-05-2008

H. Bian, M.Sc. OIO 08-12-2006 07-12-2010

open positie postdoc 21 maanden

Het einddoel van dit project is een plastic zonnecel die, naast het gewone zichtbare zonlicht, ook een deel van de infrarode zonnestralen omzet in elektriciteit. De zonnecel moet hiervoor steeds twee ingevangen infrarode lichtdeeltjes (fotonen) ‘bij elkaar optellen’ om er zo net zo veel elektrische energie uit te persen als uit één blauwgroen foton. Dat ‘optellen’ heet up conversion. Het is bekend dat dit proces plaatsvindt in bepaalde nanokristallijne brokjes waarin zich twee specifi eke soorten zeldzame-aarde metaalionen bevinden (bijv. Er:Y2O3 en Yb,Er:NaYF4). Om te beginnen bestuderen we hoe een plastic zonnecel, zoals we die al 10 jaar onderzoeken en ontwikkelen, werkt wanneer we er van zulke zelfgemaakte nanobrokjes in stoppen. Tellen de nanobrokjes dan nog infrarode fotonen bij elkaar op? Kunnen ze vervolgens de energie van de ‘opgetelde’ fotonen stralingsloos overdragen aan het omringende actieve materiaal van de ‘gewone’ plastic zonnecel en zo echt bijdragen aan het rendement? In fi guur 12 is weergeven hoe we ons zo’n mengsel van nanobrokjes en de twee ingrediënten van de ‘standaard’ plastic zonnecel voorstellen.

Tegelijkertijd gaan we inmiddels al een stap verder en synthetiseren moleculen die hetzelf-de werk moeten doen als de nanobrokjes. De groep van Hessen heeft de kennis en ervaring in huis om zulke complexe moleculen te maken. Het type molecuul dat we nu synthetiseren (fi guur 13) bevat een aantal lanthanide-atomen, bijna het zelfde als in de nanobrokjes. Het grote verschil is dat deze moleculen een nauwkeurig bepaald aantal van de atomen bevat.

Figuur 12. Schematische voorstelling van een zonnecel met een actief laagje waarin zich up-converterende nanobrokjes bevinden in een donor-acceptormengsel. Links de gehele zonnecel, die bestaat uit een laagje actief materiaal tussen twee elektroden. Rechts een uitvergroting van het mengsel van donor- (middelste pijl; lichtrood) en acceptormaterialen (rechter pijl; donkerrood), met daarin nanobrokjes up-converter zijn gedispergeerd (linker pijl).


Bovendien zijn deze moleculen, doordat we er een aantal zijgroepen aanzetten, oplosbaar en dus veel beter verwerkbaar dan de nanobrokjes. Op dit moment proberen we tevens ‘antenne’-fragmenten aan de buitenkant van de moleculen te plaatsen om zo de complexen aanzienlijk beter licht te laten absorberen. Eerst doen we dit met antennes voor UV en blauw licht. Later, als blijkt dat dit werkt, doen we dit met antennes die infrarood licht absorberen.

Figuur 13. Moleculaire structuur van een polynucleair lanthanidecomplex.


Rare-earth doped surface plasmon solar up-converter

Projecttitel Rare-earth doped surface plasmon solar up-converter

Projectnummer 05JSP20 Affi liatie FOM-Instituut AMOLF

Projectleider(s) Prof.dr. A. Polman, prof.dr. L. Kuipers

Personnel: Naam Positie Startdatum Einddatum

Drs. E. Verhagen OIO 01-09-2005 31-08-2009

J. Derks Technicus (33%) 01-09-2005 31-08-2009

In een silicium zonnecel gaat het infrarode deel van het zonlicht verloren omdat de energie van de fotonen te klein is om te worden geabsorbeerd door het silicium. Dit probleem kan worden opgelost door meerdere infrarode fotonen samen om te zetten in een foton met een hogere energie, dat wel door de zonnecel kan worden ingevangen. Zo’n proces van up-conversion kan onder meer plaatsvinden in zeldzaam aardionen, die kunnen worden geïncorporeerd in een zonnecel. Een voorbeeld zijn erbiumionen, die door deze up-conversion meerdere fotonen van 1,5 µm om kunnen zetten in één foton van 980, 660 of 550 nm. Vanwege het niet-lineaire karakter van up-conversion is de effi ciëntie van dit proces voor invallend zonlicht echter gering.

Een manier om lokaal de lichtintensiteit zodanig te versterken dat dit niet-lineaire proces effi ciënter verloopt is door gebruik te maken van metaalstructuren. Een zilverfi lm kan lichtgolven geleiden langs zijn oppervlak. Deze ‘plasmonen’ zorgen voor een sterke concen-tratie van licht in een gebied van enkele honderden nanometers nabij het oppervlak. Ze kunnen met lichtgolven geëxciteerd worden door een metaaloppervlak te belichten dat op de schaal van de golfl engte van licht gevormd is in een periodiek patroon.

Figuur 14. (a) Plasmonen worden geëxciteerd door een gaatjesrooster in een zilverfi lm te belichten met een bundel infrarood laserlicht en propageren in de spits toelopende zilveren plasmongeleider. (b) en (c) Microscopische afbeeldingen van up conversion licht bij twee verschillende emissiegolfl engtes. De plasmonen worden gegenereerd aan de linkerzijde van de afbeelding, en geconcentreerd in de driehoekige geleider. Het infrarode licht wordt omgezet in groen en rood licht en de omzetting is het sterkst bij de punt van de geleider. De afgebeelde kleuren zijn niet de werkelijke.


Door het zilver op de juiste manier te structureren kunnen de plasmonen bovendien worden gefocusseerd zodat de up-conversion verder kan toenemen.

Dit effect is recentelijk gedemonstreerd. Door een bundel infrarood licht te laten vallen op een rooster van gaatjes in een zilverfilm worden plasmonen geëxciteerd die propageren langs het grensvlak van het metaal en het substraat. In het substraat, op een afstand van 35 nanometer van het zilver, zijn erbiumionen geïmplanteerd. Die ionen absorberen een deel van de infrarode fotonen in het plasmonveld (met een golflengte van 1490 nanometer), en zetten die door up-conversion om in fotonen met een hogere energie (met golflengtes van 660 en 550 nanometer). De uitgezonden fotonen worden opgevangen in een microscoop, waardoor het mogelijk is de voortplanting van de plasmonen nauwkeurig af te beelden. De gegenereerde plasmonen worden een spits toelopende zilveren golfgeleider in geleid. Dichtbij de punt van die golfgeleider concentreren de plasmonen zodanig dat een toename van up-conversion te zien is. De mate van versterking hangt af van de kleur van het uitgezon-den licht, zoals verwacht voor de verschillende up-conversion processen die verantwoordelijk zijn voor de generatie van de verschillende kleuren. Het is de uitdaging om structuren als deze te verwerken in de metalen contacten van silicium zonnecellen, zodat daarin in de toekomst ook het infrarode licht in nuttige energie kan worden omgezet.

OUTPUT 2006 Erbium luminescence imaging of infrared surface plasmon polaritons

E. Verhagen, A. L. Tchebotareva, A. PolmanAppl. Phys. Lett. 88, 121121 (2006).

Direct imaging of propagation and damping of near-resonance surface plasmon polaritons using cathodoluminescence spectroscopyJ. T. van Wijngaarden, E. Verhagen, A. Polman, C. E. Ross, H. J. Lezec, H. A. AtwaterAppl. Phys. Lett. 88, 221111 (2006).

Poster: Generation, concentration, and probing of infrared surface plasmon polaritonsE. Verhagen, Gordon Conference on Plasmonics, Keene, USA, 23-28 juli 2006.

Poster: Generation, concentration, and probing of infrared surface plasmon polaritonsE. Verhagen, DPG Summerschool Metamaterials, Bad Honnef, Germany, 17-22 september 2006.

Presentatie (op uitnodiging): Surface plasmon generation, propagation and detectionA. Polman, International workshop on plasmonics and applications in nanotechnologies, Singapore, 5-7 december 2006.

Presentatie (op uitnodiging): Ion beam synthesis of photonic nanomaterialsA. Polman, International conference on ion beam modification of materials, Taormina, Italië, 18-21 september 2006.


Metallo-dielectric photonic crystal solar cells Projecttitel Metallo-dielectric photonic crystal solar cells

Projectnummer 05JSP22 Affi liatie Universiteit Utrecht

Projectleider(s) Prof.dr. A. van Blaaderen, dr. A. Imhof, prof.dr. R.E.I. Schropp


Dr. A. Campbell postdoc 01-04-2006 30-09-2006

Dr. Z. Zhou postdoc 01-01-2007 31-12-2008

In dit project maken we een nieuw soort dunne-laag zonnecellen met in de actieve laag van silicium een fotonisch kristal. Dit kristal bestaat uit een regelmatige stapeling van microscopisch kleine bolletjes (colloïden) van silica, die bedekt zijn met een dun laagje goud van enkele tientallen nanometers. Dergelijke deeltjes absorberen licht over een breed gebied van het zonnespectrum in het zichtbare en nabije infrarood. De precieze spectrale eigenschappen kunnen worden beïnvloed door de grootte van de bolletjes en de dikte van het goudlaagje te variëren. Van deze deeltjes wordt verwacht dat ze de opgenomen energie beter op het silicium kunnen overbrengen dan zonder het goudlaagje. Door de deeltjes zich verder te laten ordenen op een kristalrooster ontstaat daar bovenop nog het effect van een fotonisch kristal, dat in staat is een deel van het invallende licht effi ciënt te vangen en een langere weg te laten afl eggen door de actieve laag van de zonnecel.

Figuur 15. Een fotonisch kristal van silica colloïden opgevuld met silicium.


De kristallen worden gemaakt door middel van zelforganisatie van silicabolletjes op een plakje silicium. Dit is een eenvoudig en inmiddels een veelgebruikt proces. Een suspensie van de deeltjes wordt langzaam opgedroogd op het substraat. De deeltjes worden dan door de oppervlaktespanning in de vloeistofmeniscus naar elkaar toe getrokken, waarbij ze een regelmatige ordening aannemen.

Vervolgens is er onderzocht hoe dit fotonisch kristal het beste kan worden opgevuld met silicium. Dit wordt gedaan door middel van chemical vapor deposition van silicium in de ruimte tussen de bolletjes. Hierbij wordt het silicium vanuit een damp langzaam neergesla-gen. Dit moet zeer gecontroleerd gebeuren om te voorkomen dat het silicium reeds op de bovenste laag deeltjes neerslaat en daarbij de poriën verstopt. De precieze omstandigheden waarbij dit goed lukt zijn inmiddels gevonden, zoals in de figuur is te zien. Het silicium vormt inderdaad een doorlopende structuur door het hele kristal heen.

De volgende stap zal zijn om hetzelfde te doen met bolletjes die eerst met een zeer dun laagje goud zijn bedekt. De bereiding van deze deeltjes komt zeer nauw. Eerst worden er gouddeeltjes van slechts enkele nanometer groot aan het oppervlak van de silicadeeltjes gehecht. Vervolgens kunnen we ze verder laten groeien door middel van chemische reductie van een goudzout. De deeltjes groeien zo tegen elkaar aan, waardoor ze tenslotte een volledige schil vormen van zo’n 20 tot 30 nanometer dik. Van deze deeltjes wordt ook een kristal gemaakt en opgevuld met silicium. De optische eigenschappen van dit kristal kunnen dan rechtstreeks vergeleken worden met die zonder de goudschilletjes. Om de sterkte van de wisselwerking tussen licht en kristal te vergroten kunnen de silicabolletjes vervolgens eenvoudig verwijderd worden met een chemisch oplosmiddel, zoals in een eerder stadium al is aangetoond.


Polymer and hybrid solar cells Projecttitel Polymer and hybrid solar cells

Projectnummer 05JSP25 Affi liatie Technische Universiteit Eindhoven

Projectleider(s) Prof.dr.ir. R.A.J. Janssen


Ir. B. Karsten AIO 01-09-2006 31-08-2010

Drs. J.C. Bijleveld AIO 15-09-2006 14-09-2010

vacature AIO

vacature AIO

Het vooruitzicht dat lichtgewicht, fl exibele polymere zonnecellen gemaakt kunnen worden tegen lage kosten in combinatie met een hoog rendement heeft geleid tot wereldwijde aandacht voor dit type zonnecel. Polymere zonnecellen converteren zonlicht direct in elektriciteit via een complex proces dat begint bij de absorptie van licht en gevolgd wordt door het creëren, scheiden, transporteren en collecteren van ladingen. Ofschoon er voldoen-de bewijs is dat polymere zonnecellen kunnen voldoen aan het aantrekkelijke toekomst-scenario van een hoog rendement tegen lage kosten, zijn nieuwe uitvindingen noodzakelijk om dit te realiseren. De meest effi ciënte polymere zonnecellen hebben nu een energieren-dement van 4-5% in zonlicht. Dat is het gevolg van een stormachtige ontwikkeling: nog geen vijf jaar geleden was het rendement minder dan 1%. Polymere zonnecellen zijn daarmee uitgegroeid van een wetenschappelijk interessant onderwerp tot een potentiële technologi-sche innovatie.

Figuur 16. Het meten van de stroom-spannings-karakteristiek van een teststructuur (in het midden) van een polymere zonnecel onder invloed van licht (middenonder).


In dit project, dat in september 2006 gestart is, wordt onderzoek gedaan naar intrigerende wetenschappelijke vragen gericht op genereren, scheiden en recombineren van ladingen tussen donor- en acceptormaterialen onder invloed van licht in de aanwezigheid van een elektrisch veld. Voorts worden nieuwe materialen en celarchitecturen ontworpen, gemaakt en onderzocht met als doel het creëren van nieuwe generaties van polymere zonnecellen met een hoger rendement.

In 2006 is een begin gemaakt met de synthese van nieuwe materialen die moeten leiden tot een hoger rendement. De nieuwe materialen (figuur 17) zijn zo ontworpen dat hun absorptiespectrum een betere overlap geeft met het zonnespectrum. Daarmee kan dan een groter deel van het zonlicht geabsorbeerd worden waarmee de fotostroom en het rende-ment kunnen toenemen. Een tweede ontwerpcriterium voor de nieuwe materialen is dat zij aanleiding moeten geven tot een hoge mobiliteit van de ladingsdragers. Een voldoend hoge mobiliteit is van belang voor het efficiënt collecteren van ladingen die in de cel gevormd worden onder invloed van het licht. Bij een te lage mobiliteit kan recombinatie toenemen. We verwachten dit doel te bereiken door (i) gebruik te maken van vloeibaar kristallijne materialen en (ii) door in polymeren te streven naar een planarisatie van de polymeerketen met gebrugde monomeren. In beide gevallen moet het intra- en inter-ketentransport van ladingen toenemen. De nieuwe materialen zullen toegepast en getest worden in enkellaag zonnecellen maar ook in multilaag zonnecellen en geven uitzicht op sterk verbeterde rendementen van organische en polymere zonnecellen.

Figuur 17. Moleculaire structuur van nieuwe materialen zoals die ontwikkeld worden. Links een materiaal met vloeibaar- kristallijne eigenschappen en rechts een halfgeleidend polymeer dat een lage optische band gap combineert met een planaire structuur om daarmee de ladingsmobiliteit te laten toenemen.


Documents

JaarVerslag Van heT naar foToVolTaÏsChe energieConVersie … · Fotovoltaïsche conversie (PV) is de meest directe manier om onze belangrijkste duurzame bron van energie te benutten: