Joint Solar Programme

JA A RV ER SL AG VA N HET FOM-SHELL-NUON-H Y ET SOL A R-N WO C W ONDER ZOEK SPROGR A M M A NA A R FOTOVOLTA ÏSCHE ENERGIECON V ER SIE

2012

Joint Solar Programme

28

|

JA A RV ER SLAG 2012 JOIN T SOLA R PROGR A MME

COLOFON T EK ST Programmacommissie en projectleiders van het Joint Solar Programme (JSP) FOTO OMSL AG Orange Glastonbury Solar Concept Tent bron: http://newsroom.orange.co.uk VOR MGEV I NG EN PRODUCTIE Reijer van Toor, Badoux Drukkerij bv, Houten

CON TAC TA DR E S Marcel Bartels Programmabureau JSP Postbus 3021 3502 GA Utrecht (030) 600 12 17 [email protected] Uitgave maart 2013 Oplage 400 exemplaren

JA A RV ER SL AG VA N HET FOM-SHELL-NUON-H Y ET SOL A R-N WO C W JOIN T SOL A R PROGR A M M E ( JSP ) 2012

Inhoudsopgave WOOR D VOOR AF ......................................................................................................... 3 INLEIDING

.................................................................................................................... 5

ORGA NISATIE

.............................................................................................................. 6

AC TI V IT EIT EN ............................................................................................................. 8 PROJ EC T EN ................................................................................................................. 13

1

|


2

|


Woord vooraf De wereld kijkt wat betreft zonne-energie met gemengde gevoelens terug op het jaar 2012. Er werd een indrukwekkende 30 gigawatt aan zonnestroomsystemen bijgeplaatst en het totaal opgestelde vermogen is nu ruim 100 gigawatt. Zonnestroom begint een merkbare bijdrage te leveren aan de elektriciteitsproductie. In Europa gemiddeld ongeveer 2,5 procent, in Duitsland al ruim 5 procent. In Nederland werden in één jaar net zoveel systemen geplaatst als in alle jaren daarvoor bij elkaar. En Nederland bereikte 'grid parity', dat wil zeggen dat de kosten van opwekking van zonnestroom voor consumenten nu lager zijn dan de kosten van inkoop van stroom. Voor de industrie was 2012 echter een jaar van kaalslag. Door overproductie zijn de prijzen van zonnepanelen spectaculair gedaald, in sommige gevallen zelfs tot ver onder de productiekosten. Dat houdt geen enkel bedrijf lang vol en geld voor innovatie is er dan in veel gevallen ook niet meer. Het is te hopen dat de diversiteit aan technologieën die de zonnestroomsector zo robuust en veelzijdig heeft gemaakt niet verloren gaat door deze crisis. Verder is het van groot belang dat ondanks de prijserosie de kwaliteit van producten en installatie hoog in het vaandel blijft staan bij leveranciers en afnemers. Een systeem dat 25 jaar of meer moet meegaan maak je niet 'even'. Recente negatieve berichten in de landelijke media laten zien dat kwaliteitsborging en inzicht in de waarde en de betekenis van certificaten en garanties belangrijk zijn om zonnestroom te kunnen laten groeien, zonder dat er een terugslag komt. Wat heeft dit alles nu te maken met het Joint Solar Programme? In de eerste plaats zijn de prijsdalingen wel enorm, maar de onderliggende kostendalingen niet. Met andere woorden: het is meer dan ooit nodig om te werken aan kostenverlaging van bestaande technologieën en aan goedkope nieuwe technologieën. Alleen zo kunnen fabrikanten weer een gezonde marge op hun producten maken en kan weer in innovatie worden geïnvesteerd. Rendementsverhoging is een zeer effectief middel om de kosten per watt van cellen, panelen en systemen te verlagen. Het is de universele hefboom. Daarnaast zijn de toepassingsmogelijkheden van hoog-efficiënte panelen groter, in de zin dat op een gegeven oppervlak meer stroom kan worden opgewekt. In de gebouwde omgeving speelt die overweging een belangrijke rol. Het JSP is gelukkig ook in 2012 weer een broedplaats van talent en een bron van creativiteit en inspiratie voor alle betrokkenen geweest. Het levert potentiële innovaties. Onderzoek van hoge kwaliteit werd uitgevoerd door jonge onderzoekers met een enorme 'drive' om iets moois en iets goeds te doen. Het opleiden van deze mensen is een ander belangrijk resultaat van het JSP. De snel groeiende zonnestroomsector zal nog heel veel professionals nodig hebben. Zoals in voorgaande jaren geeft ook dit jaarverslag u een sprekend beeld van het werk van de onderzoekers en van de resultaten. Namens de programmacommissie van het JSP wens ik u veel leesplezier. Prof.dr. Wim Sinke Voorzitter

3

|


De resultaten van bijna 40 jaar zonnecelonderzoek in één overzicht: rendementen van de beste laboratoriumcellen. Door de oogharen gekeken is een robuuste trend van geleidelijke rendementstoename zichtbaar; de oogst van tienduizenden projecten en programma’s over de hele wereld. Figuur: NREL, VS (februari 2013). Een actuele versie is altijd via http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell_efficiency beschikbaar.

4

|


Inleiding De zonnestroomsector (PV-sector) bevindt zich in een overgangsfase. De markt ontwikkelt zich van subsidiegedreven naar zelfdragend (al is het woord 'subsidie' misschien niet helemaal op zijn plaats) en van niche naar terawatts, het échte werk. Deze overgang gaat gepaard met enorme turbulentie. In Duitsland staat inmiddels meer dan 33 gigawatt aan systemen opgesteld en levert zonnestroom een bijdrage van meer dan 5 procent aan het totale elektriciteitsverbruik. De grenzen van de mogelijkheden voor inpassing in het elektriciteitsnet zonder significante aanpassingen aan het net of andere maatregelen worden langzamerhand bereikt. De piekprijzen van elektriciteit zijn sterk gedaald omdat zonnestroom de piekvraag 'scheert'. Dat heeft de rentabiliteit van andere opwekkers, zoals kolencentrales, onder druk gezet. Kortom, het wordt menens en er is behoefte aan een integrale visie op de toekomst van het elektriciteitssysteem. In Nederland is zonnestroom nog niet zover, maar er is wel het Nationaal Actieplan Zonnestroom dat de barrières wil wegnemen om te groeien van de huidige 0,25 gigawatt geïnstalleerd vermogen naar 4 gigawatt in 2020. Er is recent zelfs gepleit voor groei tot 8 gigawatt, wat ongeveer zou overeenkomen met wat nu in Duitsland staat opgesteld. 8 gigawatt is goed voor de helft van de recente verhoging van de doelstelling voor duurzame energie van 14 procent naar 16 procent (dus 1 procent). Dat lijkt misschien weinig, maar het zou ruim 5 procent van de elektriciteitsvraag zijn en zo’n 15 procent van de doelstelling voor duurzame elektriciteit. Een sector die volwassen wordt, doet er goed aan zich voor te bereiden op de belangrijke rol die wacht. Een evenwichtig onderzoeksportfolio van korte-, middellange- en langetermijnonderzoek hoort daarbij. Het JSP is daarvan een essentieel onderdeel. Met de komst van de Topsectoren Energie en High-Tech Systemen & Materialen (HTSM) en de onderliggende Topconsortia Kennis en Innovatie (TKI’s) is het privaat(/vraag)gestuurde en veelal zeer toepassingsgerichte onderzoek tot op zekere hoogte veiliggesteld, maar niet het risicovolle onderzoek dat nodig is om in 2020 en daarna nog 'in business' te zijn. Het JSP vormt daarom een belangrijke aanvulling op het onderzoek in TKI-verband. Nanotechnologie in de brede zin van het woord begint een steeds grotere rol te spelen op alle technologiegebieden. PV vormt daarop geen uitzondering. Sterker nog, nanotechnologie biedt geheel nieuwe mogelijkheden om efficiënte, goedkope en duurzame zonnecellen en -panelen te maken. Nanostructuren op en in zonnecellen kunnen worden gebruikt om licht binnen te krijgen én te houden, zelfs in ultradunne lagen. Nanokristallen (quantum dots) bieden mogelijkheden om de absorptie-eigenschappen van de cel af te stemmen op het zonnespectrum en om licht van kleur te veranderen, zodat het beter past bij de eigenschappen van de cel. Dit zijn zomaar een paar voorbeelden van het mogelijke gebruik van nanotechnologie voor bestaande en nieuwe PV-technologieën. Het is niet verrassend dat nanowetenschap en -technologie ook binnen het JSP-programma een grote rol speelt. Daarnaast zijn er projecten die cruciale vragen met betrekking tot de werking van geavanceerde zonnecellen proberen te beantwoorden, zodat die gericht kunnen worden verbeterd. Vanwege het succes van de eerste en tweede ronde van het JSP onderzoeken de programmacommissie en FOM de (financierings)mogelijkheden van een derde ronde. Als eerder opgemerkt heeft de zonne-energiesector het zwaar en daarom wordt breed gezocht naar bedrijven die willen bijdragen aan de ontwikkeling van de PV-technologie van de toekomst. Hoewel de financiering er nog niet is hebben we goede hoop dat die wel gevonden zal worden. Maar laten we niet vooruit kijken voordat we kennis hebben genomen en hebben genoten van alles wat JSPII ons in 2012 heeft gebracht.

5

|


Organisatie Het Joint Solar Programme is een 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 onderzoekers uit de industrie. De participerende bedrijven dragen hierin minimaal 50 procent van de kosten. Momenteel bedraagt de totale IPP-portefeuille van FOM circa vijftig miljoen euro. De eerste ronde van het JSP is in 2005 van start gegaan en afgesloten in 2011. In het jaar 2008 verbond energiebedrijf Nuon zich als nieuwe industriële partner aan het Joint Solar Programme. Op dat moment is een tweede ronde met projecten gestart. In 2012 zijn de zonnecelactiviteiten onder de naam Helianthos van Nuon over gegaan naar HyET en heten sindsdien HyET Solar. De financiële omvang van het JSP bedraagt per einde 2012: Nuon / HyET Solar Stichting FOM Totaal tweede ronde JSP

kc 2.000 kc 2.000 + kc 4.000

Het programma kent een stuurgroep die toezicht houdt op de uitvoering van het programma. Deze stuurgroep bestaat uit vertegenwoordigers van de financiers. Ultimo 2012 bestond de stuurgroep uit: - drs. Hendrik van Vuren, FOM (voorzitter) - dr. Edward Hamers, HyET Solar - drs. Marcel Bartels, FOM (secretaris)

Wetenschap versus industrie, door Edward Hamers, CTO van JSP-bedrijfspartner HyET Solar HyET Solar heeft tot doel om de roll-to-roll technologie voor het produceren van flexibele PV-modules rijp te maken voor grootschalige productie en het product in samenwerking met co-development partijen verder te ontwikkelen. Parallel daaraan worden samenwerkingen gezocht met partijen die bereid zijn te investeren in de grootschalige productie. Het idee uit 1997 om op een unieke manier PV-modules aan de rol te maken en daarmee een doorbraak in de kosten van PV-systemen te realiseren, heeft al heel wat innovatieve kracht gevergd. Met bestaande kennis risico’s nemen om tot drastisch andere machineconcepten te komen dan in de industrie gangbaar zijn, kost tijd maar kan tot aanmerkelijke reductie van investeringen leiden. Het vergt langetermijnvisie en ondernemingszin om zo’n traject in te gaan. Gelukkig hebben we in deze fase twee sterke moederbedrijven gehad, eerst Akzo Nobel en later Nuon. Nu wordt het tijd om nu te oogsten en als een volwassen technologie die belofte gestalte te geven. Het is deze uitdaging die we als klein team met HyET Solar zijn aangegaan. Binnen HyET Solar werken we hard om snel een acceptabele hoeveelheid PV-modules te maken voor de markt. Hierbij moeten we tevens werken aan het verder verfijnen van de productietechnologie, met name het verhogen van de doorzet van de reeds aanwezige machines, het verlagen van het materiaalverbruik, het evalueren van goedkopere grondstoffen en leveranciers, het verhogen van de opbrengst (yield) van het productieproces, het versnellen en verbeteren van diagnostieken als ook het verbeteren van de efficiency van de modules. Dit alles om een technisch en economisch goed product te maken.

6

|


Voor de aansturing en bewaking van het programma en de onderzoeksprojecten binnen het programma, is een programmacommissie ingesteld. Deze wordt gevormd door experts uit de Nederlandse industrie en onderzoeksinstellingen. Deze programmacommissie heeft ook de volgende taken: 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, het bevorderen van het gebruik van de resultaten door deze groepen en het bevorderen van de verankering van het door het programma gestimuleerde onderzoek. Ultimo 2012 bestond de programmacommissie uit: - prof.dr. Wim Sinke, ECN, Universiteit Utrecht (voorzitter) - prof.dr. Kees Hummelen, Rijksuniversiteit Groningen - dr. Edward Hamers, HyET Solar - prof.dr. Albert Polman, FOM-instituut AMOLF, Universiteit van Amsterdam - prof.dr. Ruud Schropp, ECN, Technische Universiteit Eindhoven - drs. Joost Smits, Shell - drs. Marcel Bartels, FOM (secretaris) De programmacommissie beslist bij meerderheid van stemmen; indien nodig heeft de voorzitter een beslissende stem.

Edward Hamers.

HyET zonnecelfolie gemonteerd op bitumen dak.

Hyet Solar heeft als herstartend commercieel bedrijf meer te maken met praktisch gerichte problematiek, dan met fundamenteel onderzoek. Het Joint Solar Programme past echter wel in de visie om op langere termijn mee te kunnen blijven gaan met de ontwikkelingen om de conversie-efficiency van de PV-modules drastisch te verhogen. De uitwisseling van gedachtes vindt plaats op de halfjaarlijkse programmabijeenkomsten en via het screenen van artikelen voor publicatie. HyET Solar heeft een aantal vindingen van JSP-onderzoekers serieus bestudeerd, maar niet geschikt genoeg gevonden om tot octrooi te brengen. Hopelijk volgt er nog veel meer vruchtbare uitwisseling.

7

|


Activiteiten K EN NISOV ER DR ACH T De structuur van het JSP waarin alle onderzoekers elkaar minstens twee maal per jaar treffen is in 2012 voortgezet. In 2012 vonden deze bijeenkomsten plaats op 26 januari aan de Technische Universiteit Delft en op 25 juni aan de Technische Universiteit Eindhoven. Gastsprekers tijdens deze bijeenkomsten waren prof.dr. Daniel Vanmaekelbergh (Universiteit Utrecht) en dr. Adriana Creatore (Technische Universiteit Eindhoven). Het derde moment van het jaar waarop alle JSP-onderzoekers elkaar treffen is de jaarlijkse SUNday. De dag werd op 7 november 2012 in 's Hertogenbosch georganiseerd door het Joint Solar Panel (een samenwerkingsverband tussen Shell Global Solutions en ECN), Agentschap NL, FOM en brancheorganisatie Holland Solar. De dag werd medegefinancierd door het Joint Solar Programme. Tussen de plenaire start en afsluiting werden parallel aan het technisch/wetenschappelijke programma ook workshops en lezingen over ‘de praktijk’ georganiseerd voor ondernemers, overheden, architecten en projectontwikkelaars. Het evenement trok circa 390

Hoogtepunt uit project 09JSP33, door Melvin ten Kate en Erik van der Kolk Een stroomraam of ‘luminescent solar concentrator’ (LSC) is een luminescerende plaat die in staat is een groot gedeelte van het zonlicht dat erop schijnt te absorberen. Ten gevolge van totale interne reflectie wordt vervolgens het grootste deel van het door het luminescerende materiaal uitgezonden licht in de plaat gevangen en naar de randen geleid, vergelijkbaar met licht dat door een optische vezel gaat. Door zonnecellen te bevestigen aan de randen van de LSC kan dan stroom opgewekt worden. Doordat het licht op deze manier geconcentreerd wordt op een relatief klein oppervlak, is de hoeveelheid aan zonnecellen die nodig is tot een factor 100 kleiner ten opzichte van wanneer het hele LSC-oppervlak met zonnecellen bedekt zou worden. LSC’s kunnen dus de kosten van zonnestroom aanzienlijk reduceren. Hoewel dit idee al meer dan 30 jaar bestaat, is er tot op heden geen enkel luminescerend materiaal gevonden dat een economisch rendabele LSC mogelijk maakt. Het materiaal moet namelijk aan een aantal belangrijke voorwaarden voldoen om toepasbaar te zijn in een LSC. Het moet goedkoop zijn, makkelijk als fi lm of plaat te fabriceren zijn, het moet in staat zijn een zo groot mogelijk deel van het UV-, zichtbaar- en IR-licht te absorberen en dit efficiënt kunnen omzetten in licht van een hogere golflengte. Het is hierbij belangrijk dat er geen overlap bestaat tussen het spectrum van het geëmitteerde licht en de absorptie van het materiaal zelf, omdat zelfabsorptie de efficiëntie van de LSC aanzienlijk verlaagt. Bestaande luminescerende materialen, zoals de organische kleurstoffen Red305 en peryleen-perinon, vertonen echter een grote mate van zelfabsorptie waardoor de efficiëntie met wel 75 procent verlaagd wordt voor een LSC van een vierkante meter. In dit project onderzoeken we nieuwe anorganische luminescerende materialen die het gehele zichtbare lichtspectrum absorberen tot aan 850 nanometer en omzetten naar infrarood licht. De materialen vertonen bovendien geen zelfabsorptie. De figuur geeft de absorptie- en emissiespectra van de materialen weer. Het onderzoek richt zich momenteel op het bepalen van de absolute quantumefficiëntie van het luminescentieproces en het maken van dunne luminescerende lagen uitgaande van deze nieuwe zwarte poeders. In 2012 heeft dit geleid tot vijf wetenschappelijke publicaties.

8

|


Impressie van de SUNday 2012 (foto's Vincent Knoops)

Melvin ten Kate.

Absorptiespectra van drie nieuwe luminescerende materialen aangegeven met (1), (2) en (3), vergeleken met de absorptiespectra van (4) peryleen-perinon en (5) Red305. In het figuur rechts (6) het emissiespectrum van de nieuwe anorganische luminescerende materialen.

9

|


deelnemers, waarvan een derde de R&D-sessies bezocht. In deze R&D-sessies presenteerden onder andere dr. Katerina Dohnalová (Universiteit van Amsterdam) haar resultaten uit project 09JSP47 en prof.dr. Albert Polman (FOM-instituut AMOLF) de resultaten uit de verschillende PV-projecten op AMOLF. Naast deze ‘reguliere’ presentaties vonden er tijdens de lunchpauze zogenaamde Pecha Kucha’s plaats. Dit zijn korte presentaties met 20 sheets die elkaar automatisch elke 20 seconden opvolgen. Enkele jonge onderzoekers, waaronder Wenqiang Zou (promovendus uit project 05JSP15, Rijksuniversiteit Groningen) grepen de mogelijkheid aan om via dit nieuwe snelle concept over hun onderzoek te vertellen. De presentaties van deze dag zijn te vinden op de website www.sunday2012.nl.

Project 09JSP47 legt kiem voor vele toepassingen, door Katerina Dohnalová Van 2010 tot 2012 heb ik als JSP-postdoc in de groep van Tom Gregorkiewicz aan de Universiteit van Amsterdam gewerkt. Mijn voorgaand onderzoek, als promovenda aan de Universiteit Louis Pasteur te Straatsburg en als postdoc aan de Tsjechische Academie der Wetenschappen, betrof voornamelijk het verbeteren van de optische prestaties van zogenaamde groep IV halfgeleiders (silicium, diamant), met als uiteindelijk doel om hiermee een laser te maken. In de groep van Tom heb ik deze kennis en ervaring toegepast op silicium (Si) nanostructuren, waarbij ik met het identificeren van een direct-bandgap variëteit van silicium quantum dots (SiQDs) [1,2] een nieuwe fascinerende onderzoeksrichting opende. Deze doorbraak mocht ik presenteren op de SunDay 2012, een uniek platform om het potentieel van het onderzoek onder de aandacht te brengen van een breed publiek, waaronder veel bedrijven. Naast mijn werk aan direct-bandgap SiQDs, heb ik de kans aangegrepen om een bijdrage te leveren aan een aantal zeer succesvolle promotieprojecten in onze groep [3-5] , waaronder ook de meest recente onderzoeken naar recombinatie mechanismen in Si/Ge nanostructuren – het materiaal wat door Queisser [6] als optimaal materiaal werd geïdentificeerd voor het carrier multiplication proces. In de nabije toekomst ben ik van plan mijn eigen onderzoekgroep te starten, waarin ik de mogelijkheden van het gebruik van duurzame niet-giftige nanotechnologieën wil onderzoeken. Dit veld heeft veel potentie voor maatschappelijk relevante toepassingen zoals zonnecellen, solar fuels, bio-imaging, sensoren of het slim inbrengen van medicijnen. Mijn grootste droom is het onderzoeken en ontwikkelen van ‘slimme’ nanostructuren die qua kostenefficiëntie, prestatie, duurzaamheid en milieuvriendelijkheid de huidige materialen en technologieën kunnen overtreffen. De resultaten uit mijn JSP-project zijn hiervoor een uitstekende uitgangspositie. Om deze plannen te verwezenlijken heb ik een MacGillavry Fellowship aangevraagd – een UvA-programma met als doel vrouwelijke onderzoekers te steunen in het starten van een eigen onderzoeksgroep. Het Amsterdamse Sciencepark is een perfecte onderzoeksomgeving met veel aandacht voor interdisciplinair onderzoek en samenwerking met de industrie. Het winnen van de ‘Amsterdam Science and Innovation Award 2012’ leverde me veel respons op vanuit de industrie (DSM, Philips en ECN). De prijs en de interesse waren voor mij het mooiste compliment dat ik als onderzoeker kon krijgen. Het clusteren van het onderzoek op het Sciencepark en de versterking van de samenwerking tussen UvA en VU heeft voor mij geleid tot nauwere samenwerking met Roberta Croce en Rienk van Grondelle (VU). Samen proberen we het fotosyntheseproces te verbeteren met SIQD-structuren. Tenslotte heb ik vanuit het Van der Waals-Zeeman Instituut financiering ontvangen voor een nieuwe unieke microscoop (zie foto) waarmee ik kan inzoomen van een ensemble- naar een enkele quantumdot.

10

|


EVALUATIEMOM ENT Op 22 november 2012 besprak de Werkgemeenschapscommissie Gecondenseerde materie en optische fysica (COMOP) van FOM de voortgang van het Joint Solar Programme met programmacommissielid Ruud Schropp. De commissie sprak haar waardering uit over de mooie wetenschappelijke resultaten die het programma tot nu toe heeft opgeleverd en plaatste een paar kritische kanttekeningen: “De commissie is van mening dat er interessante wetenschappelijke resultaten zijn bereikt. De vraag kan worden gesteld in welke mate nu echte ‘kruisbestuiving’ (zoals ingezet via de programmabeschrijving) tussen het organische PV en silicium PV veld is ontstaan. Ook vraagt de commissie zich af hoe de koppeling met de industrie in dit Industrial Partnership Programme precies tot stand komt, met andere woorden welke waarde de resultaten hebben voor daadwerkelijke toepassingen.”

Katerina Dohnalová.

Kortom, mijn werk binnen het JSP en het Van der Waals-Zeeman Instituut van de UvA is de grootste wetenschappelijke ervaring in mijn leven geworden.

[1]

Surface brightens-up Si quantum dots: direct bandgap-like size-tunable emission, K. Dohnalova, A. N. Poddubny, A. A. prokofiev, W. D. A. M. de Boer, C. P. Umesh, J. M. J. Paulusse, H. Zuilhof, T. Gregorkiewicz,, Light: Science & Applications 2 (2013) e47 [2] Microscopic origin of the fast blue-green luminescence of chemically synthesized non-oxidized silicon quantum dots, K. Dohnalova, A. Fucikova, C. P. Umesh, J. Humpolickova, J. M. J. Paulusse, J. Valenta, H. Zuilhof, M. Hof, T. Gregorkiewicz, Small 8 (2012) 3185 [3] Red spectral shift and enhanced quantum efficiency in phonon-free photoluminescence from silicon nanocrystals, W. D. A. M. de Boer, D. Timmerman, K. Dohnalova, I. N. Yassievich, H. Zhang, W. J. Buma, T. Gregorkiewicz, Nature Nanotechnology 5 (2010), 878 [4] Step-like enhancement of luminescence quantum yield of silicon nanocrystals, D. Timmerman, J. Valenta, K. Dohnalova, W. D. A. M. de Boer, T. Gregorkiewicz, Nature Nanotechnology 6 (2011) 710-713 [5] Optical gain of the 1.54 um emission in MBE-grown Si:Er nanolayers N. N. Ha, K. Dohnalova, T. Gregorkiewicz, and J. Valenta, Phys. Rev. B 81 (2010) 195206 [6] Novel Optimization Principles and Efficiency Limits for Semiconductor Solar Cells J. H. Werner, S. Kolodinski, H. J. Queisser, Phys. Rev. Lett. 72 (1994)3851

11

|


De programmacommissie en de onderzoekers in het JSP zijn blij met uitgesproken waardering voor de resultaten. De programmacommissie streeft ernaar om de synergie tussen de projecten zo groot mogelijk te laten zijn, in de zin dat onderzoekers van elkaar leren, elkaar inspireren en scherp houden en waar mogelijk met elkaar samenwerken. De kruisbestuiving tussen de organische en anorganische onderzoekfamilies vindt vooral plaats tijdens de halfjaarlijkse bijeenkomsten. Daar ontmoeten bijvoorbeeld fysici met kennis van ‘devices’ en chemici met kennis van moleculen elkaar. Nadat de barrières van het wederzijdse jargon zijn geslecht volgt doorgaans een buitengewoon nuttige en verhelderende discussie over fundamentele vraagstukken. Het programma heeft een bottom-up karakter. De projecten zijn middels een call for proposals en beoordeling op wetenschappelijk kwaliteit en passendheid binnen een breed PV-thema geselecteerd. Het heeft dan ook vooral ten doel vernieuwende zonnecelconcepten te onderzoeken of cruciale vragen met betrekking tot de werking van geavanceerde zonnecellen te beantwoorden, zodat die gericht kunnen worden verbeterd. De huidige bedrijfspartner binnen het JSP, HyET Solar, monitort de projecten van een afstand. Tijdens de halfjaarlijkse bijeenkomsten daagt Edward Hamers van HyET Solar de onderzoekers uit verder te denken dan hun eigen experiment; “hoe zie je dit concept in een werkend product?”. Ook screent HyET Solar de resultaten actief op mogelijke toepasbaarheid. Enkele malen per jaar vinden er naar aanleiding hiervan discussies over mogelijke bescherming van deze kennis plaats. De koppeling naar de industrie hoeft niet beperkt te blijven tot koppeling met HyET Solar. HyET Solar heeft wel een eerste recht op exploitatie, maar projectleiders en onderzoekers in het JSP zoeken ook actief naar implementatie in andere bedrijven. Dat hoeven niet ‘slechts’ zonnecelfabrikanten te zijn, maar kunnen ook apparatuur- of materiaalleveranciers zijn.

12

|


Projecten Per einde 2012 lopen er 14 projecten binnen het JSP. Een daarvan is nog uit de eerste ronde en zal begin 2013 afsluiten. Op de volgende pagina’s staan de doelstellingen en enkele resultaten van deze projecten uit 2012 samengevat. Een compleet overzicht van alle JSP-projecten met het daarop aangestelde personeel vindt u op pagina 25.

Project 05JSP15:

Molecular up-conversion PV (µPower) 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-conversie. Het is bekend dat dit proces plaatsvindt in nano-kristallijne brokjes waarin zich twee specifieke soorten zeldzame aarde metaalionen bevinden (bijv. Yb,Er:NaYF4 ). Omdat de nanobrokjes maar een heel klein deel van het infrarode gebied goed kunnen absorberen, Upconversieresultaten bij twee verschillende antennes. hebben we ‘antenne’-moleculen aan de buitenkant De tweede antenne (IR-840) absorbeert wat verderop in het van de nanobrokjes gebonden. Deze geconjugeerde, infrarood dan de eerste (IR-806). Bij optimale verhouding op organische antennes kunnen een veel groter deel van de nanodeeltjes levert de combinatie van antennes daarom de infrarode zonnestralen invangen en deze energie ook 20 procent meer upconversie op (van ingestraald licht stralingloos doorgeven aan de nanobrokjes, die dan van golflengtes 700-1000 nanometer) dan in het geval van eerst de optel-truc doen en vervolgens de ‘opgetelde’ gebruik van IR-806 antennes alleen. energie weer doorgeven aan de omringende actieve laag van de zonnecel. Vorig jaar hebben we al een kleurstof-antennemolecuul gemaakt en daar upconversiemetingen mee gedaan. Dit jaar hebben we een tweede antennemolecuul gemaakt, met een absorptie verder naar het infrarood. Deze leverde iets minder goede resultaten op dan het vorige molecuul, maar een combinatie van beide moleculen resulteerde (in de optimale verhouding) wel in een upconversietoename van 20 procent. Naast deze metingen in oplossing hebben we ook metingen gedaan in de actieve laag van een zonnecel, met ‘kale’ nanobrokjes zonder antennemoleculen. We hebben aangetoond dat ook in die situatie upconversie werkt.

Schets van een nanodeeltje (geel) met daar aan gebonden enkele antenne-moleculen (groen) die rood licht absorberen en de energie doorgeven aan het nanodeeltje. Dat zendt tenslotte een groen lichtdeeltje uit. Op dezelfde manier kunnen er ook twee verschillende antennemoleculen aan een nanodeeltje worden gebonden.

13

|


Project 05JSP25:

Polymer and hybrid solar cells In dit project worden halfgeleidende organische moleculen en polymeren onderzocht, die licht absorberen en ladingen maken en transporteren. Zonnecellen met deze moleculen hebben de potentie om aantrekkelijke rendementen te geven en kunnen zeer snel en eenvoudig op grote oppervlakken gefabriceerd worden. Wij kijken specifiek naar de eerste stadia van de ladingsgeneratie in modelsystemen. Daarnaast ontwikkelen we nieuwe polymeren die een beter rendement kunnen geven.

Het meten van het rendement van organische zonnecellen is lastig, omdat je niet overal precies hetzelfde licht kunt produceren. Daarom wordt er gebruik gemaakt van de zogenaamde externe Met in het donker (oranje) en in zonlicht (rood) gemeten quantum efficiëntie (EQE), die per golflengte gemeten EQE-spectra wordt het rendement van zonnecellen onnauwwordt en dus niet afhankelijk is van het soort licht. keurig bepaald. De nieuwe methode maakt het mogelijk de Het nadeel van deze methode is echter dat er bij een EQE met hogere nauwkeurigheid (groen) te bepalen. lage lichtintensiteit een net iets te hoge efficiëntie uitrolt en bij een hoge lichtintensiteit vice versa. Door een extra parameter aan de berekeningen toe te voegen, namelijk hoe sterk de zonnecel afhankelijk is van de lichtintensiteit, hebben wij nu een methode ontwikkeld waarmee de EQE-waardes wel heel nauwkeurig bij één lichtintensiteit gemeten kunnen worden. Dit is zowel experimenteel als theoretisch aangetoond.

Project 09JSP28:

Harvesting charges from multiple excitons in quantum dots for highly efficient solar cells Conventionele (silicium) zonnecellen absorberen fotonen met een energie boven de zogenaamde bandafstand. Het overschot aan fotonenergie boven de bandafstand gaat verloren in de vorm van warmte. Dit project heeft als doel om dit overschot aan energie om te zetten in extra stroom. Dit kan door met elk foton meerdere vrije ladingen te maken (ladingsvermenigvuldiging) in nanokristallen van bijvoorbeeld loodselenide (PbSe). Als de nanokristallen elektronisch aan elkaar worden gekoppeld, kan dat resulteren in een hogere geleiding.

In aanwezigheid van de open ruimte tussen de kristallen (boven) vindt er geen stroomvermeerdering plaats als gevolg van ladingsvermenigvuldiging. Als de open ruimtes opgevuld worden met aluminiumoxide (onder) dan kan ladingsvermenigvuldiging wel bijdragen aan een hogere stroom.

14

|


Een probleem bij het gebruik van films van gekoppelde PbSe nanokristallen is echter dat deze zeer reactief zijn met de lucht in de open ruimtes tussen de kristallen. Hierdoor degradeert de zonnecel. Wij hebben laten zien dat dit kan worden vermeden door de ruimtes op te vullen met aluminiumoxide via het proces van atomaire laag depositie (ALD). Het opvullen vergroot de beweeglijkheid van ladingen sterk. Dit blijkt een positief effect te hebben op de vorming van meerdere vrije ladingsparen na absorptie van een enkel foton. Deze paren van tegengestelde ladingen kunnen bovendien makkelijker van elkaar ontsnappen door de hogere beweeglijkheid in de met aluminiumoxide gevulde films. Er wordt zo niet alleen meer lading gegenereerd, maar deze lading wordt ook beter afgevoerd. De opgewekte stroom en – daarmee de efficiëntie van zonnecellen – wordt dus op twee manieren verbeterd.

Project 09JSP31:

Solar concentrators based on luminescent doped nanocrystals Om de efficiëntie van zonnecellen te verhogen en de kostprijs te verlagen wordt in dit project een luminescerende plaat ontwikkeld die zonlicht invangt en omzet in een kleur licht waarvoor de efficiëntie van de zonnecel hoog is. Bovendien wordt al het uitgezonden licht in de plaat geconcentreerd op de zijkanten van de plaat waartegen zonnecellen geplaatst worden. Hierdoor kan er met een veel kleiner oppervlak aan (dure) zonnecellen zonlicht op een groot oppervlak benut worden. In het verleden zijn dergelijke platen ontwikkeld op basis van luminescerende moleculen, maar deze zijn niet stabiel genoeg voor de lange termijn (20-30 jaar) waarop zonnecellen moeten functioneren. In het nieuwe concept worden zeer stabiele en efficiënt luminescerende nanodeeltjes ontwikkeld die vervolgens worden ingebouwd in een plastic of glazen plaat. Vorig jaar maakten we relatief kleine ZnTe-clusters met met Mn 2+ ionen, met een emissie rond 620 nanometer. In 2012 is het gelukt om iets grotere luminescerende nanodeeltjes te maken, die meer lijken op de deeltjes die uiteindelijk in zonnecellen gebruikt kunnen worden. We hebben hiervoor dezelfde methode gebruikt als vorig jaar (kationuitwisseling), maar nu zijn de Mn2+ ionen ingebouwd in ZnSe-nanodeeltjes. Dit resulteert in een rode emissie rond 600 nanometer. De volgende stappen zijn om de Mn2+ concentratie in de nanokristallen te verhogen, andere luminescente ionen te testen en andere nanokristallen te maken. We gaan in 2013 met CdSe en CdTe nanokristallen aan de slag, die over een breder gebied van zichtbare spectrum absorberen.

Absorptie en emissiespectra van ZnSe-nanodeeltjes.

15

|


Project 09JSP33:

Lanthanide-doped silicon nitride based spectral conversion materials Zonnecellen hebben een beperkte efficiëntie doordat fotonen met een hoge energie voor een groot deel worden omgezet in warmte in plaats van stroom. Dit probleem kan deels worden opgelost door op de zonnecel een luminescerende laag aan te brengen die hoogenergetische fotonen (ultra-violet/blauw) kan omzetten naar laagenergetische fotonen (oranje/ rood). De efficiëntie zou nog verder verbeterd kunnen worden door de hoogenergetische fotonen te ‘knippen’ in twee of drie laagenergetische fotonen (rood/infrarood), zodat er nog meer energie van het oorspronkelijke foton gebruikt wordt. In dit project onderzoeken we in welke mate dergelijke verschuivende of knippende materialen de hedendaagse zonnecellen zouden kunnen verbeteren.

Configuratie van een zonnecel met a) een transparante laag en b) een conversielaag. c) Grafiek waarin de berekende efficiëntie van een CdTe-zonnecel met spectraal verschuivende laag weergegeven wordt als functie van (op de y-as) de maximale golflengte die door de conversielaag geabsorbeerd wordt en (op de x-as) de emissiegolflengte van die conversielaag. De hoogste efficiëntie wordt verkregen als de conversielaag al het licht tot ongeveer 520 nanometer absorbeert en het licht weer uitzendt met een golflengte van ongeveer 550 nanometer.

Project 09JSP36:

We hebben de efficiënties van zonnecellen met en zonder spectrale conversielaag – die hoogenergetische fotonen omzet naar laagenergetische fotonen – berekend. De laag blijkt weinig invloed te hebben op zonnecellen met een relatief goede efficiëntie voor blauw licht (zoals Si en CIGS), maar kan de efficiëntie van cellen met een slechte efficiëntie voor blauw licht (zoals CdTe) wel met enkele procentpunten verbeteren. Met quantumknippende lagen zien we voor alle cellen een toename van enkele procentpunten, tot zelfs boven de tien procentpunten bij cellen met een zogenaamde ‘lage bandkloof’ zoals Ge en GaSb. Een laag die een gedeelte van de hoogenergetische fotonen in tweeën splitst en een ander gedeelte in drieën splitst, zou de efficiëntie zelfs bijna kunnen verdubbelen.

Simple fabrication methods for new non-planar photovoltaic device architectures on the nano-scale Organische zonnecellen maken gebruik van elektroden die eigenlijk ontwikkeld zijn voor silicium zonnecellen. Deze elektroden geven niet het hoogste rendement in organische cellen, maar het zijn momenteel de enige beschikbare elektroden die ook goed op grote schaal zijn toe te passen. In dit project onderzoeken we de eigenschappen en productiemogelijkheden van op nanoschaal gestructureerde elektroden, die bestaan uit metalen en metaaloxiden in de vorm van twee in elkaar geschoven kammen. Voor de productie van de elektroden gebruiken we zogenaamde schaduwverdamping en Nanoskiving. De streefafstand (tussen de kamtandjes) ligt in de orde van 10 tot 20 nanometer.

16

|


Deze afstand is gelijk aan de dimensie van de fotofysische processen die plaatsvinden in materialen in organische zonnecellen. Dit is van belang om eventuele verliezen in opbrengst te minimaliseren. De dimensies zullen verder worden verkleind door het gebruik van zelf-geassembleerde monolagen (SAM) als sjablonen. In 2012 is het gelukt, in een proof-of-concept experiment, om geleiding van enkele moleculen tussen de gefabriceerde nanoschaal elektrodes te meten, waarbij de respons van moleculen met en zonder licht is gemeten. Hiernaast is het gelukt om ‘eenvoudige’ moleculen uit te wisselen voor delicate moleculen die interessanter zijn voor gebruik in zonnecellen. Met een nieuwe methode kunnen we nu elektroden maken van materialen waarmee we tot nu toe geen elektroden konden vormen. Bovendien kunnen we een combinatie gebruiken van twee verschillende elektroden, elk gemaakt van een ander materiaal. Dit is nodig om de omzetting van licht naar elektriciteit mogelijk te maken. Deze resultaten betekenen dat, als we geen grote problemen tegenkomen, we de doelen van dit project kunnen waarmaken; namelijk het fabriceren van efficiëntere elektrodes voor organische zonnecellen. De uitdaging voor 2013 is het integreren van de nieuwe elektroden in arrays voor echte zonnecellen.

Project 09JSP40:

Met een diamantmes worden plakjes gesneden van een epoxyblok. De plakjes bevatten de op nanoschaal gestructureerde elektroden. Met gebruik van SAM’s als tijdelijke tussenlaag, die later verdampt, is een uitsparing gemaakt. De geleiding correspondeert met de grootte van deze uitsparing.

Quantum-dot binary superlattice solar cells Halfgeleider nanokristallen, ook wel quantum dots genoemd, hebben bijzondere eigenschappen. Zo hangen de energieniveaus – en daarmee belangrijke kenmerken zoals de kleur van de nanokristallen – af van de grootte van de nanokristallen. Goed gedefinieerde (monodisperse) nanokristallen van verschillende samenstelling en grootte kunnen zich spontaan organiseren in ‘binaire superstructuren’. Zulke superstructuren zijn mogelijk ideale materialen om zonnecellen van te maken. Ze kunnen namelijk het zonlicht met verschillende kleuren efficiënt absorberen. In dit onderzoeksproject wordt onderzocht welke combinatie van nanokristallen en welke ‘superstructuur’ het meest geschikt is voor toepassing in zonnecellen. In de afgelopen periode vonden wij dat in lagen van nanokristallen, de energieniveaus van elektronen sterk bepaald worden door de nabijheid van kationen (positief geladen ionen). Deze energieniveaus zijn

17

|


Ultradunne film van PbTe-halfgeleidermateriaal met een honingraat nanostructuur.

bepalend voor de efficiëntie van de zonnecel en onze vinding helpt de spreiding van gerapporteerde energieniveaus in de literatuur te verklaren. Verder blijkt er een limiet te bestaan voor het aantal elektronen dat men aan geleidende films van nanokristallen kan toevoegen. Dit is van belang voor de elektrochemische bepaling van energieniveaus en het ontwerp van nanokristal-zonnecellen. Daarnaast werd in samenwerking met onderzoekers in Berlijn het terugvallen van ‘hete’ elektronen naar een lagere energietoestand bestudeerd in een CdSe QD vaste stof (de actieve laag in een dunne film zonnecel). Het bleek dat hete elektronen hun energie doneren aan gaten (middels het zogeheten Auger proces) bij het terugvallen. Zo omzeilen ze de ‘phonon bottleneck’, een proces dat deze elektronen belemmert om terug te vallen.

Project 09JSP41:

Bulk heterojunction PV theory: development and testing

Chemische structuur van het acceptormolecuul PPCBM. De fenylring van het standaard acceptormateriaal PCBM is hier vervangen door een analoog molecuuldeel dat een grote permanente dipool heeft, om te zien wat de invloed ervan is op de polariseerbaarheid van het molecuul en de diëlektrische constante van het moleculaire materiaal.

Het basisprincipe van de huidige plastic zonnecel – ook wel organische of moleculaire zonnecel genoemd – werd in 1995 ontdekt. De bestanddelen zijn goedkoper en makkelijker te vervaardigen dan silicium, maar het rendement van deze zonnecellen bleef lange tijd rond de één procent. Tot de ontdekking van de bulk-heterojunctie, waarin twee soorten (over het algemeen moleculaire) materialen op nanoschaal met elkaar vermengd zijn in de actieve laag van de zonnecel. Iets dat in de wereld van silicium ondenkbaar is. Het rendement is omhooggeschoten tot 12 procent in het begin van 2013. Desalniettemin is er geen of heel weinig theorie ontwikkeld die recht doet aan de specifieke situatie van de bulk-heterojunctie-type zonnecellen. In dit project onderzoeken we hoe de zonnecellentheorie zich houdt voor deze specifieke nieuwe elementen van de organische zonnecel. De kern van de zaak zit voornamelijk in het verschil tussen moleculaire materialen en anorganische halfgeleidende materialen.

In het eerste jaar hebben we vooral de nadruk gelegd op de theoretische aspecten van organische zonnecellen in het algemeen (wat resulteerde in een publicatie die dit jaar is uitgekomen). Het afgelopen jaar hebben we ons gericht op het ontwerp en de bereiding van acceptormoleculen, die het licht in de zonnecel opvangen. We hebben de zijgroepen van deze moleculen gevarieerd om te zien of we op die simpele manier de diëlektrische constante kunnen beïnvloeden. Uiteindelijk hopen we uit te vinden wat de invloed van de diëlektrische constante van de actieve laag is op het maximale rendement van een moleculaire zonnecel. Ons theoretisch antwoord is: zeer overheersend! Als we in staat zijn om moleculaire materialen met diëlektrische constante van boven de 6 te maken dan schiet het theoretisch maximum omhoog van zo’n 14 naar boven de 20 procent. Bij een waarde van 10 komen we zelfs in de buurt van de Shockley Queisser limiet, het theoretische maximum.

18

|


Project 09JSP42:

High energy states in multichromophores and oligojunctions Het doel van dit project is het ontwerpen en onderzoeken van moleculen die in aangeslagen toestand met hoge energie gebracht kunnen worden, door absorptie van twee fotonen na elkaar. De uitdaging hierbij is de intermediaire toestand te stabiliseren waarin het molecuul zich bevindt na de absorptie van het eerste foton, maar voor de absorptie van het tweede. Alleen door deze stabilisatie kan het te exciteren elektron de energie van beide fotonen effectief in zich opnemen, zonder dat de energie van het eerste foton weglekt. In dit project onderzoeken we in hoeverre deze stabilisatie door middel van ingebouwde elektrische velden in moleculen gerealiseerd kan worden. Een voorbeeld van een molecuul met ingebouwd veld is AminoQuin (zie figuur). Door het zwavelatoom in De chemische structuur van AminoQuin, dat een zelfde staart vormen deze moleculen een zelf-assembleassemblerende monolaag (SAM) op goud (Au) kan vormen. rende monolaag op goud, waarin alle moleculen in Door goud en SAM op een prisma aan te brengen is excitatie dezelfde richting wijzen. Het ingebouwde veld kan van oppervlakteplasmonen mogelijk. Met een elektrolyt dan door zijn uniformiteit bijdragen aan ladingsen een transparante elektrode (ITO) kan een complete scheiding en fotovoltaïsche energieomzetting. fotovoltaïsche cel gemaakt worden. Met licht kunnen de geleidingselektronen in het goud collectief geëxciteerd worden en kan een spontane fotostroom opgewekt worden. Experimenten waarbij de energieniveaus van de moleculen gevarieerd worden, duiden erop dat de collectieve excitaties van de geleidingselektronen (oppervlakteplasmonen) direct een intermediaire toestand kunnen induceren waarbij er één elektron van het molecuul naar het goud is overgedragen. Of het ingebouwde elektrische veld van de AminoQuin moleculen bijdraagt aan de stabilisatie van deze intermediaire toestand, is op dit moment nog niet te zeggen.

Project 09JSP44:

Interface layers in bulk heterojunction solar cells Doel van dit project is het ontwerpen, ontwikkelen en bestuderen van nieuwe grensvlaklagen voor gebruik in organische, polymere en hybride zonnecellen die uiteindelijk kunnen leiden tot een verbetering van de vulfactor van deze zonnecellen en daarmee het rendement. Een lage vulfactor betekent feitelijk dat een te kleine fotostroom gecollecteerd wordt. Een van de mogelijke redenen hiervan is dat ladingsdragers ongewenst aan dezelfde elektrode gecollecteerd worden. Door het aanbrengen van een dunne grensvlaklaag kan de collectie van de ‘verkeerde’ ladingsdrager mogelijk voorkomen worden. Dit maakt de collectie van de ‘goede’ ladingsdrager effectiever bij lage elektrische velden en resulteert dan in een toename van de vulfactor en het rendement. De fotoactieve laag van polymeer-fullereen zonnecellen wordt aangebracht vanuit een oplossing. Tijdens het drogen van de laag wordt de morfologie bepaald. De grootte van de

19

|


domeinen van polymeer en fullereen en de mate van menging zijn bepalend voor het rendement van de zonnecel. Het maken van de juiste morfologieën is een kunst geworden, waarbij kleine toevoegingen, concentraties, droogtijden en temperatuur bepalend zijn. Een goed inzicht ontbrak echter. We hebben nu vastgesteld dat het optreden van spontane vloeistofScanning (links) en transmissie (rechts) elektronmicroscopie opnames van de morfologie van een de fotoactieve laag van een polymeer-fullereen zonnecel, waarin vloeistof ontmenging tijdens het droogproces verantwoordelijk is de fullereendomeinen te zien zijn die aanleiding geven tot een bobbelige bovenzijde voor de 200 nanometer fullereenen een vlakke onderzijde. domeinen die lijken te zweven in de fotoactieve laag en het oppervak een bobbelig uiterlijk geven. We kunnen de vorming en omvang van de domeinen nu nauwkeurig voorspellen met een fysisch model.

Project 09JSP47:

Carrier multiplication in Ge nanocrystals Een manier om zonnecelen efficiënter te maken is door de hoogenergetische fotonen uit zonlicht beter te benutten. In bepaalde nanostructuren is het mogelijk om zo’n foton (typisch in het UV regime) niet om te zetten naar één ladingsdrager plus restwarmte, maar naar meerdere ladingsdragers. Wij doen onderzoek naar germanium-nanokristallen, waarbij de drempelwaarde voor dit ‘carrier multiplication’ proces laag ligt en het dus bij een behoorlijk deel van het zonnespectrum kan plaatsvinden. Het doel van het project is om de kristallen te incorporeren in verschillende materialen (wat van invloed zou kunnen zijn op het proces) en vervolgens hun eigenschappen te onderzoeken met behulp van optische spectroscopie. Zodra met zekerheid kan worden vastgesteld dat het carrier multiplication proces inderdaad plaatsvindt, zullen de materialen worden geoptimaliseerd om maximale efficiëntie te verkrijgen.

Het zonnespectrum zoals hier gezien op aarde. De stippellijnen geven de (bulk) germanium bandgap aan en de potentiële drempelwaarde waarvoor het carrier multiplication (CM) proces kan plaatsvinden. In de golflengterange van circa 900 nanometer (ongeveer 2 maal de bandgap van germanium, de minimale energie die nodig is om carrier multiplication te krijgen) totaan de bandgap van germanium, kan elk foton slechts één elektron-gat paar (e-g paar) creëren. Voor golflengtes korter dan 900 nanometer is de energie genoeg om twee (of meerdere) elektron-gat paren te generen. De creatie van meerder elektron-gat paren kan in één quantum dot of in meerdere aangrenzende quantum dots plaatsvinden. Verdere experimenten zullen dit moeten uitwijzen.

20

|


We hebben experimenten gedaan met silicium/germanium (Si/ Ge)-nanokristallen en met puur germanium-nanokristallen in SiO2. Met behulp van lichtemissieexperimenten zijn in de Si/Ge samples duidelijke quantumeffecten gevonden, die belangrijk zijn voor efficiënte carrier multiplication. Voor de exacte efficiëntiebepaling van dit proces zal een andere techniek gebruikt moeten

worden, wegens de lage lichtemissie-intensiteit. Deze beperkte intensiteit is wel een goed vooruitzicht op efficiënte carrier multiplication, aangezien alle ladingsdragers die niet bijdragen aan het lichtemissie-proces gebruikt zouden kunnen worden voor extractie en dus een hogere zonnecel-efficiëntie kunnen opleveren. Er is ook gevonden dat het gedrag van deze nanokristallen sterk afhankelijk is van de germaniumconcentratie. De nanokristallen met alleen germanium leveren opmerkelijke resultaten op: een onverwacht en snel ‘bleaching’-signaal, wat kan duiden op sterke lichtemissie of op saturatie van een bepaald energieniveau. Dit zou van groot belang kunnen zijn voor de karakterisatie en eventuele optimalisatie van het carrier multiplication proces. Er is mogelijk ook carrier multiplication waargenomen, maar om dit te bevestigen zijn nog verdere analyse en extra metingen met verschillende samples nodig.

Project 09JSP48:

Singlet exciton fission as a route to more efficient dye sensitized solar cells In dye-sensitized zonnecellen wordt per geabsorbeerd foton maximaal één elektron geïnjecteerd in een extern circuit. Dit geldt voor zowel fotonen met hoge als met lage energie, met als gevolg dat er bij absorptie van fotonen met hoge energie erg veel energie verloren gaat. Het doel van dit project is om fotonen met een hoge energie efficiënter te gebruiken, door gebruik te maken van ‘singlet exciton fission’. In dit proces wordt een zogenaamde singlet aangeslagen toestand - die ontstaat na absorptie van een foton omgezet in een combinatie van twee triplet toestanden, die beide een elektron kunnen injecteren. Wij maken kleurstoffen die aan deze voorwaarden voldoen en bestuderen de eigenschappen van deze moleculen met behulp van spectroscopische technieken. In 2012 hebben we 15 kleurstoffen gesynthetiseerd, allemaal peryleenbisimide verbindingen met kleine verschillen in de zijketens. Door die zijketens ontstaan er verschillende kristalstructuren en uit onze metingen blijkt dat die ook andere elektronische eigenschappen hebben. Zo hangt de mobiliteit van ladingen (de geleiding) bijvoorbeeld sterk af van de kristalstructuur: een verschuiving van 0.1 Å kan leiden tot een vermindering van de mobiliteit met een factor 10. Een soortgelijke trend is waar te nemen in singlet fission in deze materialen.

Project 09JSP50:

Quantum dot based thin film silicon solar cells Het doel van het project is om een hoog rendement in zonnecellen te halen door gebruik te maken van een groter gebied van het zonnespectrum. We gaan dit bereiken door de toepassing van een speciaal samengesteld materiaal: quantum dots (QD) ingebed in een amorfe matrix. De optische absorptie van het QD-materiaal hangt af van de grootte van de dots. Door verschillende groottes te gebruiken, kan dus een groot deel van het zonnespectrum geabsorbeerd worden. We gaan twee soorten quantum dots maken, silicium (Si) en silicium-germanium (SiGe). Dit doen we met een ‘zeer hoog frequent plasma geïnduceerd damp depositieproces’ (VHF PECVD). Daarbij willen we twee methodes vergelijken: 1) een gepulseerd of amplitudegemoduleerd plasma en 2) Layer-By-Layer (LBL) groei middels gecontroleerde gastoevoer. Het einddoel is om de rendementslimiet van de tweede generatie dunne-filmzonnecellen

21

|


te overschrijden bij laagblijvende productiekosten. Voor de eerste methode hebben we een nieuwe QD-reactiekamer met VHF-elektrode ontworpen en deze in een (ASTER) depositiesysteem met meerdere kamers geïnstalleerd. We hopen hiermee meer controle te krijgen over de TEM-microscopie opname van de groei van de silicium quantum deeltjes, gemaakt in ASTER. dots. In 2012 hebben we de reactiekamer getest en de eerste deposities (quantum dots) onderzocht met TEM-microscopie. Dit waren clusters van deeltjes van 10-50 nm. QD-reactiekamer met VHF-elektrode in het Om de groei van de quantum dots beter onder controle ASTER depositiesysteem. te krijgen, moeten we ook meer inzicht krijgen in de plasmafluctuaties in de reactiekamer. Met OES (Optische Emissie Spectroscopie) en de ‘VI probe’ sensor hebben wij reproduceerbare fluctuaties van de plasma-emissie en -stroom gemeten, die veroorzaakt worden door de groeiende deeltjes. We hebben geen fluctuaties waargenomen in de elektronentemperatuur. Daarnaast hebben we de laag-voor-laag (LBL) technologie toegepast en gekeken welke randvoorwaarden daarbij het beste zijn. Om quantum dots ingebed in een amorfe matrix te maken, blijkt een klein aantal LBL-cycli nodig te zijn. Daarnaast is de verhouding van het plasma belangrijk: weinig silaan-plasmatijd in vergelijking met de waterstofplasmatijd. Aangezien we de methodes op dit moment nog aan het optimaliseren zijn, is het nog niet te zeggen welke methode (LBL of gasfasedepositie van QD) beter is.

Project 09JSP54:

Novel synthesis and passivation routes of silicon nanocrystals for photovoltaics Plasma’s kunnen worden gebruikt om dunne laagjes te maken van materialen, door het materiaal vanuit de plasmatoestand neer te laten slaan (depositie). Het doel van dit project is een nieuwe verbeterde depositiemethode te onderzoeken voor silicium nanokristallen (Si-NCs), met goede oppervlakte-eigenschappen voor zonneceltoepassingen. Door de verblijftijd en stromingseigenschappen van Si-NCs te controleren in het plasma, willen we zowel de grootte (< 4 nm) als de grootteverdeling van de neergeslagen nanokristallen controleren. Op deze manier kunnen we het oppervlak van de nanokristallen elektronisch inactief maken. Als dit lukt komen er nieuwe toepassingen beschikbaar die kunnen leiden tot een hogere nanokristallendichtheid. Dit maakt het mogelijk om quantumeffecten te versterken en praktisch toepasbaar te maken, waardoor zonnecellen efficiënter worden.

Nanokristallen gemaakt in een plasma met een ultra-hoge doorvoersnelheid van 100 milligram per minuut. De nanokristallen worden in de vorm van een poeder gemaakt en kunnen gemakkelijk worden opgelost in apolaire vloeistoffen, zoals ethanol. Deze oplossingen, zogeheten Si-inkten, kunnen de toepassing van Si-NCs op industriële schaal makkelijker mogelijk maken.

22

|


Tenslotte stellen we voor om een prototype te maken met een nanokristallenlaag in een silicium tandemcel, een zonnecel die bestaat uit twee lagen. Deze concepten kunnen de kostprijs van zonne-energie in de toekomst verlagen. Een belangrijke mijlpaal in 2012 was de effectieve analyse van Si-NC eigenschappen met behulp van Raman spectroscopie. Met Raman spectroscopie kunnen kleine en grote kristallen afzonderlijk worden onderzocht. Bovendien kan kwantitatieve informatie over de grootteverdeling van de kristallen worden verkregen. De resultaten zijn in overeenstemming met de resultaten van transmissie-elektronenmicroscopie en fotoluminescentie spectroscopie. In vergelijking met deze technieken is Raman spectroscopie een snelle en onschadelijke techniek met betrouwbare resultaten. Daarom denken we dat Raman spectroscopie grote potentie heeft om zich te ontwikkelen tot een standaardmethode voor de analyse van de grootte en vorm van nanokristallen. Deze methode draagt bij aan de verdere ontwikkeling van een goede depositiemethode voor silicium nanokristallen.

Project 09JSP55:

Towards low cost luminescent concentrators (LC2) Een mogelijk goedkoop alternatief voor de standaard silicium zonnepanelen is de zogenaamde luminescente zonneconcentrator (LZC). In een LZC wordt het zonlicht op een klein oppervlak geconcentreerd voordat het op de zonnecel valt. Daardoor is er minder zonnecelmateriaal nodig en wordt het totale zonnecelsysteem goedkoper. In dit project combineren we optische concentratie en spectrumconversie, waarbij lichtdeeltjes worden omgezet naar een golflengte waarvoor de zonnecel het meest gevoelig is. Binnenkomende lichtdeeltjes (fotonen) worden door nanokristallen geabsorbeerd en vervolgens met een rood-verschoven golflengte weer geëmitteerd, met hoge efficiëntie. Dit licht wordt via totale interne reflectie opgesloten in de LZC-plaat en komt zo terecht in een dunne-filmzonnecel die aan de zijkant van de plaat is aangebracht. In het afgelopen jaar is een model ontwikkeld waarmee zelfabsorptieverliezen in een LZC kwalitatief kunnen worden geschat. Zelfabsorptie vindt plaats wanneer een luminescent deeltje licht uitzendt dat een ander luminescent deeltje weer absorbeert. Hierbij gaat er lichtenergie verloren voor omzetting in stroom. Het kwalitatieve model is gebaseerd is op ray-tracing en Monte-Carlo technieken en maakt gebruik van fundamentele data. Validatieexperimenten zullen worden uitgevoerd om een geavanceerder en kwantitatief model te kunnen ontwikkelen. Om LZC-materialen te kunnen optimaliseren, hebben we zowel vloeibare als plastic LZCs gemaakt. Het voordeel van de vloeistof is dat de eigenschappen nog eenvoudig kunnen worden veranderd. We gebruiken dus de vloeibare LZCs om materialen te optimaliseren en passen die later toe in de plastic LZCs. Zo hebben we verschillende nanodeeltjes getest, waarvan de zelfabsorptie zodanig laag is dat grote plastic LZCs in het verschiet liggen.

23

|


Testproductie van een plastic luminescente zonneconcentrator.

Wetenschappelijke publicaties per project in 2012 05JSP15 Broadband Dye-Sensitized Upconversion of Near-IR Light, W. Zou, C. Visser, J.A. Maduro, M.S. Pshenichnikov, J.C. Hummelen, Nature Photonics 2012, 6, 560-564 (Highlighted in Nature Materials 2012, 11, 842-843). 05JSP25 A new approach to model-based simulation of disordered polymer blend solar cells, O. Stenzel, L.J.A. Koster, R. Thiedmann, S.D. Oosterhout, R.A.J. Janssen, V. Schmidt, Adv. Funct. Mater. 2012, 22, 1236-1244. Excitation energy shuttling in oligothiophene-diketopyrrolopyrrole–fullerene triads, B.P. Karsten, P.P. Smith, A.B. Tamayo, R.A.J. Janssen, J. Phys. Chem. A 2012, 116, 1146-1150. Influence of injected charge carriers on photocurrents in polymer solar cells, D.J. Wehenkel, L.J.A. Koster, M.M. Wienk, R.A.J. Janssen, Phys. Rev. B. 2012, 85, 125203/1-12. The effect of bias light on the spectral responsivity of organic solar cells, D.J. Wehenkel, K.H. Hendriks, M.M. Wienk, R.A.J. Janssen, Org. Electron. 2012, 13, 3284–3290. Physical processes in organic solar cells, D.J. Wehenkel, proefschrift Technische Universiteit Eindhoven, 17 december 2012. 09JSP28 Broadband and picosecond intraband absorption in lead-based colloidal quantum dots, B. de Geyter, A.J. Houtepen, S. Carrillo, P. Geiregat, Y. Gao, S. ten Cate, J.M. Schins, D. van Thourhout, C. Delerue, L.D.A. Siebbeles, Z. Hens, ACS Nano, 6, 6067 - 6074, 2012. Origin of low sensitizing efficiency of quantum dots in organic solar cells, S. ten Cate, J.M. Schins, L.D.A.Siebbeles, ACS Nano, 6, 8983 - 8988, 2012. 09JSP 33 Photoluminescence properties and energy level locations of RE3+ (RE=Pr, Sm, Tb, Tb/Ce) in CaAlSiN3 phosphors, Z. Zhang, O.M. ten Kate, A. Delsing, E. van der Kolk, P.H.L. Notten, P. Dorenbos, J. Zhao, H.T. Hintzen, J. Mater. Chem. , 22, 9813, 2012. Photoluminescence properties of Yb2+ in CaAlSiN3 as a novel red-emitting phosphor for white LEDs, Z. Zhang, O.M. ten Kate, A.C.A. Delsing, M.J.H. Stevens, J. Zhao, P.H.L. Notten, P. Dorenbos, H.T. Hintzen, J. Mater. Chem., 22, 23871, 2012.

24

|


Building integrated thin film luminescent solar concentrators: Detailed efficiency characterization and light transport modelling, E. van der Kolk, J.W. Wiegman, Solar Energy Materials and Solar Cells, 103, 41, 2012. Direct hole and delayed electron capture on a picosecond timescale by Eu2+ centers in CaGa2S4 monitored by synchroscan with horizontal blanking, D.J. Louwers, T. Takizawa, C. Hidaka, E. van der Kolk, Journal of Applied Physics, 111, 093709, 2012. Photon management in La2BaZnO5:Tm3+,Yb3+ and La2BaZnO5:Pr3+,Yb3+ by two step cross-relaxation and energy transfer, A. Jaffres, B. Viana, E. van der Kolk, Chem. Phys. Letters, 537, 42, 2012. 09JSP41 Pathways to a new efficiency regime for organic solar cells, L J.A. Koster, S.E. Shaheen, and J.C. Hummelen, Adv. Energy Mater. 2, 1246-1253, 2012. Polymer Electronics: Quo Vadis?, R.C. Chiechi, J.C. Hummelen, ACS Macro Lett. 1, 1180−1183, 2012. 09JSP4 4 Efficient inverted tandem polymer solar cells with a solution processed recombination layer, S. Kouijzer, S. Esiner, C. H. Frijters, M. Turbiez, M.M. Wienk, R.A.J. Janssen , Advanced Energy Materials, 2, 945, 2012. 09JSP47 microscopic origin of the fast blue-green luminescence from chemically synthesized non-oxidized silicon quantum dots, K. Dohnalová, A. Fucíková, C.P. Umesh, J.M. J. Paulusse, J. Humpolícková, M. Hof, J. Valenta, H. Zuilhof, T. Gregorkiewicz, Small, 8, 3185-3191, 2012. Investigation of saturation and excitation behavior of 1.5 µm emission from Er3+ ions in SiO2 sensitized with Si nanocrystals, D. Timmerman, S. Saeed, T. Gregorkiewicz, M.A. Roldán Gutiérrez, S.I. Molina, Physica Status Solidi C, 9, 2312-2317, 2012. Power-dependent spectral shift of photoluminescence from ensembles of silicon nanocrystals, D. Timmerman, T. Gregorkiewicz, Nanoscale Research Letters, 7, 389:1-6, 2012.

Overzicht JSP-projecten Hieronder staat een overzicht van alle JSP-projecten met het daarop aangestelde personeel (afgesloten projecten en onderzoekers die ultimo 2012 uit dienst zijn, zijn wit afgedrukt).

Project

Projectleider(s)

Affiliatie(s)

Onderzoeker(s)

05JSP03

Prof.dr. M. Bonn

AMOLF

05JSP04 05JSP13

Prof.dr. L.D.A. Siebbeles Prof.dr.ir. R.A.J. Janssen

TUD TU/e

05JSP14

Prof.dr. A. Meijerink

UU

05JSP15

Prof.dr. J.C. Hummelen

RUG

05JSP20

Prof.dr. A. Polman

AMOLF

05JSP22

Prof.dr. A. van Blaaderen

UU

05JSP25

Prof.dr.ir. R.A.J. Janssen

TU/e

06JSP26 09JSP28

Prof.dr. A. Polman Prof.dr. L.D.A. Siebbeles Dr. J.M. Schins Prof.dr. A. Meijerink Dr. C. de Mello Donegá Dr. E. van der Kolk Prof.dr. P. Dorenbos Dr. H.T.J.M. Hintzen Dr. R. Chiechi Dr. A.J. Houtepen Prof.dr. D. Vanmaekelbergh Prof.dr. J.C. Hummelen Dr. S.C.J. Meskers Prof.dr.ir. R.A.J. Janssen Prof.dr.ir. R.A.J. Janssen Dr.ir. M.M. Wienk Prof.dr. T. Gregorkiewicz

09JSP31 09JSP33

09JSP36 09JSP40 09JSP41 09JSP42 09JSP44 09JSP47 09JSP48

Dr. F.C. Grozema Prof.dr. E.J.R. Sudhölter Dr. J.K. Rath Prof.dr. R.E.I. Schropp Prof.dr.ir. M.C.M. van de Sanden Dr.ir. A.H.M. Smets Dr.ir. W.M.M. Kessels Dr. W.G.J.H.M. van Sark Dr. C. de Mello Donegá Prof.dr. R.E.I. Schropp

09JSP50 09JSP54

09JSP55

25

|

Start

Eind

AMOLF TUD

Dr.ir. J. Pijpers I. Stavenuiter (tech) Dr. M.T. Trinh Dr. T. Hanrath Dr. T. Jiu Drs. L. Aarts Drs. J.T. van Wijngaarden Dr. W. Kretschmer (50%) Dr. C. Visser H. Bian, MSc W.-Q. Zou, MSc Dr. E. Verhagen J. Derks (tech) Dr. A. Campbell Dr. Z. Zhou Dr. S.M.C. Badaire Dr.ir. B.P. Karsten Dr.ir. J.C. Bijleveld Dr.ir. S.D. Oosterhout Dr. D.J. Wehenkel Dr. K.R. Catchpole Drs. S. ten Cate

01-02-2006 01-02-2006 01-05-2006 15-06-2006 01-11-2008 01-11-2005 01-01-2006 15-05-2006 01-11-2009 08-12-2006 01-09-2008 01-09-2005 01-09-2005 01-04-2006 01-01-2007 13-11-2007 01-09-2006 15-09-2006 01-05-2007 06-06-2008 18-06-2007 18-11-2009

31-01-2010 31-01-2010 31-07-2010 14-08-2007 30-06-2010 30-10-2009 30-06-2010 14-05-2008 14-01-2011 31-10-2007 31-01-2013 31-08-2009 31-08-2009 30-09-2006 31-08-2007 12-11-2009 31-08-2010 14-09-2010 06-12-2011 31-05-2012 17-06-2008 17-11-2013

UU

Drs. J.J. Eilers

01-09-2010

31-08-2014

TUD, TU/e

Ir. O.M. ten Kate Ir. D.J. Louwers

01-02-2010 01-04-2012

31-01-2014 30-06-2012

RUG TUD, UU RUG TU/e

P. Pourhossein, MSc Drs. S.C. Boehme Dr. D. Mitoraj F. Jahani, MSc Dr. R. Kunnathodi Dr. F. Gholamrezaie Ir. S. Kouijzer

04-02-2010 01-09-2010 01-06-2010 28-03-2011 06-04-2011 01-03-2012 01-09-2010

03-02-2014 31-08-2014 31-07-2013 27-03-2015 31-01-2013 28-02-2013 31-08-2014

UvA

Dr. K. Dohnalová S. Saeed MSc

TUD

Dr. D.D. Günbaş

01-10-2010 01-11-2013 01-09-2010

30-09-2012 31-10-2014 28-02-2013

UU

A. Mohan, MSc

01-08-2010

31-07-2014

TU/e

İ. Doğan, MSc

15-09-2009

14-09-2013

UU

Z. Krumer, MSc

01-04-2010

31-03-2014

TU/e


Joint Solar Programme

Recommend Documents