An elegant enhancement scheme for thin-film solar cells

Resultaten en bevindingen van project An elegant enhancement scheme for thin-film solar cells Dit rapport is onderdeel van de projectencatalogus energie-innovatie. Tussen 2005 en 2011 kregen ruim 1000 innovatieve onderzoeks- en praktijkprojecten subsidie. Ze delen hun resultaten en bevindingen, ter inspiratie voor nieuwe onderzoeks- en productideeën. De subsidies werden verleend door de energie-innovatieprogramma's Energie Onderzoek Subsidie (EOS) en Innovatie Agenda Energie (IAE). Datum 2010 Status Definitief Universiteit Utrecht in opdracht van Agentschap NL

Colofon Projectnaam Programma Regeling Projectnummer Contactpersoon An elegant enhancement scheme for thin-film solar cells Energie Onderzoek Subsidie Nieuw Energie Onderzoek NEOT04002 Universiteit Utrecht Hoewel dit rapport met de grootst mogelijke zorg is samengesteld kan Agentschap NL geen enkele aansprakelijkheid aanvaarden voor eventuele fouten.

Eindrapportage AN ELEGANT ENHANCEMENT SCHEME FOR THIN-FILM SOLAR CELLS Projectnummer: NEOT04002 1 september 2008 31 augustus 2010 Universiteit Utrecht J. de Wild en R.E.I. Schropp Nanophotonics Physics of Devices 1

Het project is uitgevoerd met subsidie van het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw, en Innovatie, regeling EOS: Nieuw Energieonderzoek, uitgevoerd door Agentschap NL. Dit rapport is opgesteld door Universiteit Utrecht als presentatie van onderzoek dat deels werd gefinancierd door Agentschap NL, een agentschap van het Ministerie van Economische Zaken, Landbouw, en Innovatie. Hoewel het rapport met zorg is samengesteld kunnen noch de auteurs, noch Universiteit Utrecht aansprakelijk gesteld worden voor enige directe of indirecte schade als gevolg van het gebruik van dit rapport. Universiteit Utrecht behoudt het copyright van dit rapport. 2

Eindrapportage AN ELEGANT ENHANCEMENT SCHEME FOR THIN-FILM SOLAR CELLS Projectnummer: NEOT04002 1 september 2008 31 augustus 2010 Universiteit Utrecht J. de Wild en R.E.I. Schropp Nanophotonics Physics of Devices 3

Inhoud Samenvatting... 5 Eindrapport... 6 Inleiding... 6 Technologie... 7 Opzet... 8 Resultaten... 8 Upconverter material... 8 Transitiemetalen... 9 Zonnecellen... 10 TCO back contact... 10 Back reflector... 11 Zonnecellen optimaliseren... 11 Zonnecel met upconverter... 13 Zonnecellen... 13 Conclusie... 16 Dankwoord... 16 Referenties... 17 4

Samenvatting Dit project behelst een concept voor zg. derde generatie zonnecellen waarmee efficiëntere energieconversie kan worden bereikt. Het doel is om het rendement van dunne film zonnecellen te verbeteren door een zonnecel te voorzien van een upconverter. Een upconverter kan lage energie fotonen in het zonnespectrum omzetten in hogere energie fotonen. Fotonen die niet worden geabsorbeerd door de zonnecellen, krijgen zo een kans om alsnog geabsorbeerd te worden. Dit concept is al bewezen voor kristallijn-silicium zonnecellen en in dit project wordt het principe aangetoond voor dunne film amorf silicium (a-si:h) zonnecellen. Amorf-silicium zonnecellen zijn goedkoop te maken, maar hebben een hogere bandgap (rond 1.75 ev), waardoor een groot deel van het zonlicht te weinig energie heeft om bij te dragen aan het de productie van zonnestroom. Upconvertermaterialen zijn goed beschikbaar en werden tot nu toe veel onderzocht voor andere doeleinden dan voor gebruik in zonnecellen. In dit project worden upconverters gebruikt met lanthanide metalen. Er zijn twee upconverter materialen gebruikt waarmee de toepassing van upconversie in a-si:h zonnecellen is aangetoond. De eerste is NaYF 4 : 2% Er 3+, 18% Yb 3+, waarbij Er 3+ en Yb 3+ de lanthanide ionen zijn die de fotonen absorberen en emitteren. Het Yb 3+ ion absorbeert licht tussen de 920 en 1050 nm en Er 3+ emitteert rond de 540 en 650 nm. De geabsorbeerde golflengtes liggen buiten het absorptiespectrum van a-si:h zonnecellen en het geëmitteerde licht is in de range waar de zonnecellen heel goed absorberen. Dit specifieke upconvertermateriaal is gekozen omdat het een zeer efficiënte upconverter is met een efficiency van meer dan 10% voor conversie van infrarood naar zichtbaar licht. Een andere upconverter die is gebruikt is Gd 2 O 2 S: Er 3+, Yb 3+. Dit is upconverter die reeds commercieel verkrijgbaar is. Deze upconverter is al zeer efficiënt bij lagere licht intensiteit, echter hiervan is het maximale rendement is veel lager (nog geen 0.5%). Wanneer deze upconverters aan de achterkant van de zonnecellen worden geplaatst, worden maximale kwantumrendementen van 0.03% voor NaYF 4 en 0.2% en voor Gd 2 O 2 S gemeten onder excitatie van monochromatisch laser licht met een vermogen van 3 W/cm 2. Voor NaYF 4 is dit ver onder het maximale haalbare, voor Gd 2 O 2 S was dit het maximale haalbare. De verliezen zijn te wijten aan het feit dat niet alle geëmitteerde fotonen worden geabsorbeerd in de zonnecellen en aan de absorptie van het langgolvige licht in zonnecelcomponenten anders dan de upconverter. 5

Eindrapport Inleiding Zonnecellen kunnen een grote bijdrage leveren aan een duurzame energievoorziening. Zonnecellen zijn energetisch rendabel (de energie die gebruikt wordt tijdens productie kan vele malen worden terugverdiend), ze gaan lang mee, ze produceren geen geluid of horizonvervuiling, en nemen relatief weinig oppervlak in beslag vergeleken bij andere duurzame elektriciteitsgenerators. Ze zijn echter nog steeds redelijk duur. Er zijn verschillende manieren om de kosten te drukken. De meest gangbare methoden zijn de vermindering van het grondstoffenverbruik en verbetering van de productieprocessen ten behoeve van een hoger rendement en verlaging van de productiekosten. De ontwikkelingsroutes worden weergegeven in figuur 1. Vermindering van materiaalgebruik wordt al toegepast in de zogenaamde dunne film zonnecellen, de tweede generatie zonnecellen. Deze gebruiken minstens 200 keer minder silicium en zijn goedkoper te maken. Verhoging van het rendement kan door het licht beter te absorberen en door beter gebruik te maken van het zonnespectrum. Dit wordt weergegeven in figuur 2. Dit projectrapport is gefocusseerd op de laatste methode, gebruikmakend van dunne film zonnecellen. Hiermee komen dus alle concepten voor kostenreductie van zonnestroom te samen in één ontwerp. Figure 1: Het doel van het project is om een derde generatie zonnecel aan te tonen in het gebied dat hier weergegeven wordt als III. Deze zonnecellen gebruiken derde generatie concepten zoals upconversie, waarbij het rendement de Shockley-Queiser limiet kan overschrijden doordat beter gebruikt wordt gemaakt van het zonnespectrum. In het USEL (Utrecht Solar Energy Laboratory) worden o.a amorf silicium zonnecellen onderzocht. Deze zonnecellen absorberen licht tot ~750 nm en voor langere golflengtes zijn deze zonnecellen transparant. Om ook langere golflengtes te kunnen absorberen wordt een upconverter laagje toegepast. Een upconverter kan fotonen met een te lage energie omzetten in hoogenergetische fotonen. Wanneer dit laagje aan de achterzijde van een zonnecel wordt geplaatst, wordt eerst al het bruikbare licht geabsorbeerd in de zonnecellen en het langgolvige licht wordt geabsorbeerd in de upconverterlaag waarna kortgolvig licht weer terug de zonnecel in wordt 6

gekaatst door een reflector die er achter wordt geplaatst. Een goede reflector is wit, dit weerkaatst het licht in alle hoeken terug de zonnecel in waardoor de lengte die het licht aflegt in de zonnecellen langer wordt en dus meer kans heeft om geabsorbeerd te worden. Figure 2: Het zonnespectrum. Het geblokte gedeelte hiervan is het deel dat wordt geabsorbeerd door a-si zonnecellen. Het gestreepte deel bevat fotonen met te weinig energie en die met een geschikte upconverter kunnen worden omgezet in fotonen met een hogere energie. Technologie Upconversie is een bewezen technologie en resultaten zijn reeds behaald met kristallijn silicium zonnecellen [1]. In dit project gebruiken we dunne film amorf silicium zonnecellen. Om een zonnecel met upconverter te maken hoeft er weinig aan de zonnecel aangepast te worden. Dit is het belangrijkste argument voor upconversie: het rendement van de zonnecellen kan alleen maar voordeel ondervinden van upconversie. Als eerst al het licht met fotonenergie groter dan de bandafstand wordt geabsorbeerd, kan er door upconversie in rendement gewonnen worden, terwijl de zonnecel zelf maar minimaal hoeft te worden aangepast. Het gebruik van een upconverter is in principe eenvoudiger dan het opbouwen van tandemcellen. Een goede upconverter kan uiteindelijk de noodzaak van tandemcellen helemaal wegnemen. De achtercontact van de zonnecel moet wel transparant zijn voor het langgolvige licht. Dit wordt bereikt door gebruik van een TCO-laag als achtercontact, zoals ook aan de voorzijde een TCO venstercontact wordt gebruikt. Omdat er nu een transparant achtercontact is kan het zilver dat in gewoonlijk als achtercontact en tevens als reflector dient, worden vervangen door een witte reflector. Figuur 3 geeft een schematische weergave van de zonnecellen met en zonder upconverter. 7

Figure 3: Schematische opzet van de zonnecellen met en zonder upconverter laag. Opzet Als eerste werden er zonnecellen gemaakt die geschikt zijn voor een upconverter. Dit houdt in dat het standaard achtercontact ZnO/Ag vervangen werd door een TCO dat transparant is voor het infrarode licht en dat tevens een serieweerstand heeft die laag genoeg is, zodat de uitgaande stroom geen weerstandsverlies ondervindt. Vervolgens werd er een upconverter materiaal uitgezocht die de juiste absorptie- en emissiegolflengtes heeft, passend bij het absorptieprofiel van a-si:h zonnecellen. Deze upconverter werd gekarakteriseerd, en uiteindelijk op de zonnecel geplaatst. Voor de upconverter moest een host materiaal gevonden worden, dat transparant is en dat aan de achterkant van de zonnecel kan geplaatst worden. Daarna werd een diffuse reflector toegepast dat al het licht weer terug de zonnecel in kaatst. Verder werd er onderzocht hoe de absorptie van het langgolvige licht verhoogd kon worden, door een upconverter te maken met een transitiemetaal erin. Transitiemetalen hebben een breedbandig absorptie spectrum en kunnen tevens upconverter eigenschappen hebben. Het doel was om een transitiemetaal te vinden dat licht tussen 750 en 920 nm absorbeert en de energie overdraagt aan Yb 3+, zodat meer licht wordt geabsorbeerd, zodat uiteindelijk ook meer licht wordt omgezet in zichtbaar, kortgolvig licht. Resultaten Upconverter material Er zijn twee verschillende upconverters gebruikt. De eerste is NaYF 4 : 2% Er 3+, 18% Yb 3+ dat werd gemaakt in de groep Soft Condensed Matter and Interfaces en de tweede upconverter was Gd 2 O 2 S: Er 3+, Yb 3+, dat commercieel geproduceerd wordt. NaYF 4 is een zeer efficiënte upconverter met een maximale conversie van 10% van infrarood tot zichtbaar licht; zowel blauw, groen als rood licht (405, 540 en 650 nm). Al deze 8

golflengtes worden goed geabsorbeerd door amorf silicium zonnecellen. De hoogste response ligt bij 540 nm, hetgeen deze upconverter zeer geschikt maakt voor toepassing met amorfe silicium zonnecellen, omdat juist bij deze golflengte het kwantum rendement het hoogst is. Gd 2 O 2 S is een upconverter die commercieel verkrijgbaar is. De concentraties aan lanthanides hierin zijn onbekend, maar uit absorptiemetingen is wel gebleken dat de lanthanides Er 3+ en Yb 3+ zijn. Deze upconverter is zeer efficiënt bij lage intensiteit, maar het maximale rendement is nog geen 0.5%. Omdat deze upconverter efficiënter is dan NaYF 4 bij lage intensiteit is deze upconverter ook experimenteel toegepast op de zonnecellen. Figuur 4 laat de geïntegreerde emissie zien rond 540 nm voor beide upconverters als functie van de intensiteit. Hier is duidelijk te zien dat Gd 2 O 2 S veel beter is, maar ook dat de emissie constant wordt, terwijl de intensiteit van NaYF 4 blijft toenemen bij toenemende concentratie van het invallende licht. Hellingen groter dan 1 geven aan dat de emissie niet-linear afhankelijk is van de lichtintensiteit. Als de helling kleiner dan 1 is, dan gaat het rendement zelfs achteruit. Dit is het geval bij Gd 2 O 2 S waarbij het maximale rendement wordt bereikt bij 0.5 W/cm 2. Figure 4: Het rendement van de upconverter materialen is intensiteitafhankelijk. In deze grafiek wordt de emissie rond 540 nm weergegeven als functie van de intensiteit. Hellingen die kleiner zijn dan 2 geven aan dat de upconverter verzadigt, wat inhoud dat het maximale rendement bereikt wordt. Transitiemetalen Lanthanide metalen hebben een smal absorptiespectrum. Het Yb 3+ ion absorbeert licht tussen 920 en 1050 nm, terwijl amorfe zonnecellen al licht doorlaten vanaf 750 nm. Transitiemetalen hebben een breedbandig absorptiespectrum en kunnen ook upconversie eigenschappen hebben. Eerst is er in de vakliteratuur gezocht of er een bekend transitiemetaal is dat tussen 750 en 920 nm licht absorbeert. Nu bleek dat de meeste transitiemetalen alleen bij zeer lage temperaturen upconversie eigenschappen tonen, op één transitiemetaal na. Hoewel dit metaal niet het juiste absorptiespectrum had, gaf het 9

wel inzicht in welke andere transitiemetalen mogelijkerwijs dan wel bij kamertemperatuur upconversie eigenschappen hebben. Er zijn twee kandidaten uitgeprobeerd: Nb 4+ en Ta 4+. Deze transitiemetalen zijn nog niet eerder gebruikt en dus was er geen absorptiespectrum bekend of een host materiaal waarin we deze ionen konden doteren. Het eerste doel was om een host materiaal te vinden waarbij zowel 4+ ionen en 3+ ionen in gedoteerd kunnen worden. Dit materiaal werd Zr 4 YF 15. Dit werd gemaakt, de transitiemetalen zijn erin gedoteerd en er is een absorptiespectrum gemeten. Ta 4+ bleek het juiste absorptiespectrum te hebben, zie figuur 5. Daarna werd het emissiespectrum opgenomen, waaruit bleek dat er helaas geen emissie was. Dit kan inhouden dat het Ta ion wel absorbeert maar niet emitteert, of dat de gemeten absorptie niet door het Ta ion geschiedde maar door het host materiaal zelf. Het is binnen de projectduur dus nog niet gelukt om een transitiemetaal te vinden dat op kamertemperatuur upconverter eigenschappen heeft en bij de juiste golflengte absorbeert. Figure 5: Transitiemetalen hebben een brede absorptieband. Hier wordt de reflectie van twee transitiemetalen weergegeven, waarbij Ta 4+ een dal toont tussen de 500 en 1200 nm, met een minimum rond 800 nm. Dit duidt op absorptie. Zonnecellen TCO back contact Om zonnecellen met upconverter te maken moeten ze geheel transparant zijn voor infrarood licht Hiervoor moest het achtercontact enigszins aangepast moest worden, zoals omschreven in figuur 3. Een standaard manier is de vervanging van de ZnO/Ag laag door een dikkere TCO laag. De zonnecel heeft dan nog geen backreflector, maar wel een contact. Er waren verschillende TCO s beschikbaar. ITO (In 2 O 3 gedoteerd met Sn) en ZnO:Al (ZnO gedoteerd met Al). ITO bleek te absorberen vanaf 800 nm en is daarom 10

geen goede optie. De bandgap van ITO is wel hoger dan voor ZnO, maar aangezien al het kortgolvige licht al direct wordt opgenomen is de lagere bandgap van ZnO aan de achterzijde van de cel geen probleem. Verder bleek dat met toenemende Al concentratie de absorptie toenam en derhalve is een lagere concentratie beter, temeer omdat de geleiding weinig varieerde met de dopingconcentratie. Uiteindelijk is het ZnO/Ag achtercontact vervangen door een ZnO:Al(0.5%) TCO-laag van 1 µm dik. Deze dikte leverde zonnecellen op met een serieweerstand en parallelle weerstand vergelijkbaar met die van het ZnO/Ag contact zodat er geen stroomverliezen waren, zie tabel 1. Hierbij dient rekening gehouden te worden dat de zonnecellen met alleen ZnO contact nog geen reflector hebben, wat terug is te zien in de stroom. Back reflector Het zilver dient niet alleen als achtercontact maar ook als reflector. Omdat zilver het licht niet alle richtingen terug de zonnecel in kaatst (speculair reflecteert; niet diffuus) en het achtercontact de TCO-laag is, is gekozen voor een diffuus reflecterende witte nietgeleidende laag als reflector. Een goede witte reflector weerkaatst het licht alle kanten op, waardoor de weglengte die het licht in de zonnecel aflegt langer wordt. Het licht heeft dus meer kans om geabsorbeerd te worden, wat een hogere stroom oplevert. Om dit aan te tonen zijn er zonnecellen gemaakt, waarbij eerst zilver als reflector is gebruikt, waarna deze is verwijderd en vervangen door witte verf. Figuur 6 laat zien dat witte verf inderdaad het licht beter terugkaatst; de EQE is hoger, voornamelijk voor rood licht. Zonnecellen optimaliseren Uit metingen was gebleken dat amorfe zonnecellen niet heel erg transparant zijn voor 1 µm licht. Veel van het licht wordt geabsorbeerd maar voegt desondanks nauwelijks iets toen aan de stroom. Het wordt geabsorbeerd in de transparante electrodes en in de gedoteerde lagen, en een kleine fractie ervan in defecten in het amorfe silicium. Er is gekeken hoe we de zonnecellen transparanter kunnen maken voor het infrarode licht. Een van de aspecten die voor defecten zorgen is de textuur (morphologie) van het substraat. Dit is te zien in de V oc, die lager is voor getextureerde zonnecellen dan voor gladde zonnecellen. Er zijn verschillende zonnecellen gemaakt, met verschillende diktes, op gladde (vlakke) en getextureerde substraten. Verder kan door middel van interferentie in de vlakke lagen een maximum in de lokale lichtintensiteit worden ontworpen bij 1 µm, terwijl dit interferentie patroon wordt verstrooid op niet gladde oppervlakken. Goed werkende zonnecellen hebben een dikte tussen de 200 en 500 nm. Binnen dit bereik, vinden we dat 230 en 500 nm i-lagen een maximale interferentie piek hebben bij 980 nm. We hebben daarom zonnecellen gemaakt op gladde en getextureerde substraten met deze dikten voor de i-lagen. Tabel 1 vat de parameters samen van deze zonnecellen. De metingen zijn gedaan zonder backreflector, bij de stroom kan nog 10 tot 20% toegevoegd worden als er een backreflector achter wordt geplaatst, waarbij de winst het grootst zal zijn voor de dunnere, gladde zonnecellen. 11

Tabel 1: De elektrische parameters van de nieuwe zonnecellen met ZnO:Al als achtercontact, vergeleken met de standaard zonnecellen die ZnO/Ag als achtercontact hadden. Back contact 80 nm ZnO:Al 2%/Ag 1 µm ZnO:Al 0.5% I sc (ma/cm 2 ) 14,3 ± 0,1 10,5 ± 0,9 V oc (V) 0,815 ± 0,003 0,818 ± 0,001 FF 0,695 ± 0,006 0,68 ± 0,01 R s (Ωcm 2 ) 5,1 ± 0,2 6,7 ± 0,9 R p (Ωcm 2 ) (1,6 ± 0,6) 10 3 (1,4 ± 0,2) 10 3 Tabel 2: Parameters van de verschillende aangepaste zonnecellen waarin de transparantie voor 1 µm licht is vergroot. Solar Cell V oc (V) I sc (ma/cm 2 ) FF Textured 500 nm 0.83 13.8 0.69 Textured 230 nm 0.84 11.7 0.65 Flat 500 nm 0.86 10.8 0.67 Flat 230 nm 0.88 9.3 0.67 Figure 6: Spectrale response van 1 zonnecel waarbij een zilver en witte diffuse reflector is toegepast. Hier is duidelijk te zien dat de EQE hoger is wanneer een witte reflector wordt toegepast. 12

Figure 7: Schematische tekeningen van de verschillende zonnecellen. Omdat het licht in platte zonnecellen niet wordt verstrooid, bereikt meer licht de upconverter laag. Het rendement van de upconverters zou dus kwadratisch met de lokale intentsiteit omhoog moeten gaan. Zonnecel met upconverter De eerste experimenten werden gedaan met getextureerde zonnecellen en de NaYF 4 upconverter. Het bleek dat in tegenstelling tot kristallijn zonnecellen, de amorfe zonnecellen nog wel een response hebben voor langgolvig licht met energie minder dan de bandgap (gepresenteerd op EMRS 2009, Straatsburg [1]). Er moest daarom eerst gekeken worden naar bijdrage aan de stroom hiervan, in vergelijking met de response van de upconverter. Dus de response van zonnecellen met upconverter laag en witte reflector werd vergeleken met de response van zonnecellen met witte reflector alleen. De kwantum efficiency werd bepaald voor 980 nm licht voor beide zonnecellen en intensiteit afhankelijke metingen werden gedaan. De externe quantum efficiency (EQE) zonder upconverter was niet afhankelijk van de intensiteit terwijl dat van de upconverter wel afhankelijk was van de intensiteit, als verwacht [2]. Figuur 6 laat dit zien. Zonnecellen Omdat het rendement van de upconverter afhankelijk is van de lichtintensiteit werden de zonnecellen aangepast zodat er meer licht in de upconverter laag kwam. Dit is beschreven in de paragraaf zonnecel optimalisatie. Er waren nu twee upconverter host materialen tot onze beschikking: NaYF 4 and Gd 2 O 2 S. De verschillende zonnecellen waren tot 84% transparant gemaakt voor 980 nm licht (gepresenteerd op PVSEC 2010, Valencia). Voor allebei de upconverters zijn lichtintensiteit-afhankelijke metingen gedaan en de kwantum efficiency is bepaald. Figuren 7 en 8 laten de EQE zien voor de verschillende 13

zonnecellen. Ze zijn gecorrigeerd voor de directe response, zoals beschreven in de vorige paragraaf, zodat de getoonde response alleen die van de upconverter is. Het is goed te zien dat Gd 2 O 2 S een hogere kwantum efficiency heeft dan NaYF 4, maar ook dat deze verzadigt en geen hoger kwantum rendement zal bereiken. Het maximale rendement was 0.2% voor deze upconverter bij een intensiteit van 3 W/cm 2 en voor NaYF 4 was dat 0.01%. Voor de laatste upconverter kan een veel hoger rendement worden verkregen als de metingen bij een hogere intensiteit zouden kunnen worden gedaan. Figure 8: Een zonnecel met upconverter laag waarbij het kwantum rendement is bepaald bij 980 nm licht. Als referentie is ook een zonnecel gemeten zonder upconverter laag om directe response te kunnen onderscheiden van de upconverter response. 14

Figure 9: Het kwantum rendement voor 980 nm licht van de vlakke en getextureerde zonnecellen met NaYF 4 upconverter. De data zijn gecorrigeerd voor de directe response. Figure 10: Het kwantum rendement voor 980 nm licht van de vlakke en getextureerd zonnecellen met Gd 2 O 2 S upconverter. Hier is goed te zien dat de vlakke zonnecellen inderdaad een betere upconverter response hebben doordat er meer licht in de upconverter laag komt. Ook is zichtbaar dat deze upconverter verzadigt bij hoge intensiteit (het kwantum rendement neemt niet verder toe). 15

Conclusie Het potentieel voor upconversie is groot, omdat a-si:h een hoge bandgap heeft. Voor het eerst is aangetoond dat dit derde generatie concept ook kan werken voor dunne film zonnecellen, i.h.b. amorfe silicium zonnecellen. Er zijn verschillende upconverter materialen beschikbaar. In dit project hebben we upconverters gebruikt met lanthanide ionen. Met twee verschillende upconverters is aangetoond dat het concept werkt. De twee verschillende upconverters die in dit experiment gebruikt zijn werken volgens hetzelfde mechanisme, maar de hoeveelheid licht die nodig is om een significante toename van stroom te meten in de zonnecel was ordes van grootte verschillend. Het verschil wordt veroorzaakt door de intensiteitsafhankelijkheid van het rendement van de upconversie. De experimenten zijn gedaan met monochromatisch licht met een maximale intensiteit van 3 W/cm 2. Omdat dit monochromatisch licht is, is dit moeilijk te vergelijken met de response op natuurlijk zonlicht. Een meer praktische beschouwing van het effect is te verkrijgen door de hoeveelheid energie in zonlicht te berekenen binnen spectrale gebeid waarin Yb 3+ absorbeert. Op deze manier is uitgerekend dat 3 W/cm 2 overeenkomt met iets minder dan 1300 zon. Dit zijn reële waarden voor concentratie, die ook in concentratorcellen worden toegepast. Naast reële concentratiewaarden van het zonlicht dient natuurlijk ook onderzoek te worden verricht aan upconverters met een hogere rendement voor conversie van infrarood licht naar zichtbaar licht bij lage concentraties. Er zijn nog geen upconverters in het lanthanidesysteem die hieraan voldoen. Het Yb 3+ /Er 3+ koppel in Gd 2 O 2 S heeft een maximaal rendement van slechts 0.5% bij een concentratie van ongeveer 300 zon, terwijl het in NaYF 4 een maximale rendement heeft van 10%, maar dan bij een concentratie van 20W/cm 2, hetgeen overeenkomt met zelfs bijna 40000 zon. Deze hoge concentraties zijn vooral nodig bij gebruik van upconverters met lanthaniden. Een alternatief kan wellicht gevonden worden onder de beschikbare organische upconverter materialen die zeer efficiënt het licht omzetten. Ze werken bij gewoon zonlicht, zonder concentratie, maar een aantal nadelen moeten nog overwonnen worden: 1) het rendement is niet stabiel omdat de organische stoffen reageren met zuurstof, 2) de absorptie en emissie spectra komen niet overeen voor amorfe zonnecellen en zijn niet eenvoudig in te stellen zoals bij lanthaniden. Binnen de lanthaniden is er een grote varieriteit aan absorptie en emissie banden en zijn er dus altijd geschikte conversies te vinden. Dankwoord Wij danken Prof. A. Meijerink (Condensed Matter and Interfaces; Debye Instituut, UU) voor zijn grote inzet en inbreng van deskundigheid op het gebied van lanthanide upconverter materialen en Dr. W.G.J.H.M. van Sark (Science, Technology, and Society, Copernicus Instituut, UU) en Dr. J.K. Rath (Nanophotonics; Debye Instituut, UU) voor vele gesprekken en inspiratie. 16

Referenties [1] J. de Wild, A. Meijerink, J.K. Rath, W.G.J.H.M. van Sark, R.E.I. Schropp, Towards upconversion for amorphous silicon solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cell 94 (2010) 1919-1922. doi:10.1016/j.solmat.2010.06.006 [2] J. de Wild, J.K. Rath, A. Meijerink, W.G.J.H.M. van Sark, R.E.I. Schropp, Enhanced near-infrared response of a-si:h solar cells with β-nayf 4 :Yb 3+ (18%), Er 3+ (2%) upconversion phosphors, Solar Energy Materials and Solar Cell 94 (2010) 2395-2398. doi:10.1016/j.solmat.2010.08.024 17