Quantumsmarties voor goedkope zonnecel

‘Quantumdots’ of ‘Q-dots’ zijn koosnamen voor de nanokristallen van halfgeleidermateriaal. Een glazen kolfje met hete olie in een zuurkast bij DelftChemTech (Technische Natuurwetenschappen) is de plek waar dr. Arjan Houtepen ze maakt. In de gloeiende olie beginnen vanaf driehonderd graden Celsius de cadmiumselenide kristallen langzaam te groeien. Door temperatuur en tijdsduur te regelen, weet Houtepen kristalletjes te groeien van precies de gewenste grootte; 95 procent ervan is identiek. Houtepen: “De meest gebruikte kristallen zijn tussen 2 en 5 nanometer groot.” Bij zulke kleine afmetingen hangt hun kleur af van de grootte: 2-nanometerdeeltjes zijn blauw, 5-nanometerdeeltjes zijn rood. Hierdoor zijn quantumdots op iedere golflengte van het licht af te stemmen door simpelweg hun grootte te beheersen.
Quantumdots staan in de belang-
stelling vanwege mogelijke toepassing in zonnecellen. Theoretisch zouden ze een rendement van 44 procent kunnen bereiken. Ter vergelijking: veel gebruikte siliciumcellen hebben een maximaal rendement van 33 procent. Het belangrijkste voordeel van quantumdots is volgens Arjan Houtepen (onderzoeksgroep opto-elektronische materialen) de lage prijs van het materiaal. Silicium voor zonnecellen is duur omdat het heel zuiver moet zijn. Verontreinigingen verlagen de werking sterk, doordat ze vrije elektronen op hun weg door het kristal verstoren. Bij quantumdots zijn die eisen lager, vanwege wat Houtepen noemt de confinement of evil (het insluiten van het kwaad). Omdat de kristallen zo klein zijn, is de kans gering dat ze een verontreiniging bevatten. Omgekeerd blijft de invloed van een verontreiniging tot één kristal beperkt – naastliggende quantumdots hebben er geen last van.
Verder lijkt het mogelijk om het hele lichtspectrum te benutten door een geschikte combinatie van quantumdots van verschillende groottes te kiezen. Immers, door hun afmeting te variëren kunnen ze gevoelig gemaakt worden voor alle kleuren van de regenboog. Bovendien, en dat is bijzonder voor quantumdots, kan één foton (lichtdeeltje) meerdere vrije elektronen produceren, een verschijnsel dat bekend staat als ladingsvermenigvuldiging. Houtepen: “Over de aard en sterkte van dit effect is momenteel veel discussie en de theorievorming is nog in volle gang. Maar wij hebben laten zien dat een foton gemiddeld 1,7 elektron kan produceren in een bepaald type quantumdots.”
Dat klinkt goed, maar tot nu toe is er nog niemand in geslaagd om die elektronen daadwerkelijk uit het kristal te halen, en dat is wel een voorwaarde voor een werkende zonnecel.
Collega-onderzoeker dr.ir. Roel van de Krol van de onderzoeksgroep materialen voor energieconversie en –opslag heeft daar een plan voor. Hij wil de quantumdots van Houtepen als een soort smarties gaan voorzien van een omhullend laagje. Die laag, van slechts enkele nanometers dik, moet elektrisch geleidend zijn. Goud is een mogelijkheid, maar ook titaannitride – een goudkleurige stof die ook wordt gebruikt om boortjes extra hard te maken. In maart verwacht Van de Krol een nieuwe reactor in huis te hebben waarmee de quantumdots te coaten zijn. Onderin ligt dan een poeder van nanokristallen, waar gas doorheen blaast dat de deeltjes vrij laat zweven. In de reactor heerst een damp van het geleidende materiaal die – als het goed is – egaal condenseert op de kristallen. Atomic layer deposition, noemt men dat proces.
De hoop is nu dat elektronen vanuit het kristal in het geleidende omhulsel terechtkomen, en dat de gaten in het kristal blijven, zodat er een externe stroom ontstaat. Een quantumdotzonnecel zou dan bestaan uit enkele lagen gecoate halfgeleidernanokristallen op een ondergrond. Maar dat daarmee het theoretische rendement van 44 procent gehaald wordt, lijkt onwaarschijnlijk omdat niet alle aangeslagen elektronen daadwerkelijk het geleidende omhulsel zullen bereiken. Houtepen heeft nu zijn hoop gevestigd op tien procent rendement. “De cel hoeft niet zo goed te zijn als een siliciumcel, als hij maar een stuk goedkoper wordt.”