Zonne-energie is een efficiënte manier om stroom op te wekken, maar de theoretische 33,7 procent limiet leek onoverkomelijk. Recente doorbraken bewijzen echter dat deze beperkingen kunnen worden overwonnen, wat mogelijk veel beloofd voor de toekomst van zonne-energie.

De theoretische grens voor de efficiëntie van zonnecellen, bekend als de Shockley-Queisser-limiet, heeft lange tijd de maximale efficiëntie bepaald die zonnecellen konden bereiken. De Shockley-Queisser-limiet is een theoretische grens die de maximale efficiëntie van zonnecellen bepaalt en is gebaseerd op de eigenschappen van zonlicht en de halfgeleidermaterialen die aan de basis liggen van een PV-cel.

Elke halfgeleidermateriaal heeft een bandgap energie dat specifiek is voor het materiaal. Het is de energie die nodig is om elektronen in het halfgeleider te kunnen vrijmaken. Shockley-Queisser-limiet verschilt per bandgap energie met een maximaal rendement van ongeveer 33,7 procent bij een bandgap van 1,4 elektronvolt. Het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen, silicium, heeft echter een minder gunstige band gap van 1,1 elektronvolt, wat resulteert in een maximaal rendement van ongeveer 32 procent. Deze limiet houdt in dat geen enkele silicium zonnecel meer dan ongeveer 32 procent van het beschikbare zonlicht kan omzetten in elektrische energie.

Andere factoren die van belang zijn bij deze limiet zijn de ongeschikte fotonenergieën (sommige fotonen hebben te veel of te weinig energie om elektronen vrij te maken), warmteverlies en zonlichtreflectie.

Dit concept beperkt de efficiëntie van traditionele zonnecellen, maar stimuleert de ontwikkeling van geavanceerde technologieën om deze limiet te overwinnen en de efficiëntie van zonne-energie te vergroten.

Technologische doorbraken
Recente technologische doorbraken hebben een revolutie teweeggebracht in de zonne-energie-industrie door deze traditionele efficiëntie limiet bij zonnecellen te overschrijden.

Multi-junction zonnecellen hebben traditionele beperkingen doorbroken door gebruik te maken van meerdere lagen halfgeleidermateriaal met verschillende bandgap-energieën. Hierdoor kunnen ze een breder spectrum van fotonenergieën absorberen en efficiënter omzetten in elektrische energie. Deze technologie heeft tot nu toe de hoogste efficiëntie van PV cellen bereikt.

Recent  heeft het Amsterdamse AMOLF-instituut en het Duitse Fraunhofer Institute een zonnecel met 36,1 procent rendement ontwikkeld, het hoogste ooit voor een silicium zonnecel. Het is een ultramoderne silicium TOPCon met twee halfgeleiderlagen bestaande uit de materialen GaInP en GaInAsP. De lagen zijn vervolgens gecoat met een speciaal metaal/polymeer-nanocoating.

In 2022 hebben onderzoekers van het Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems (Fraunhofer ISE) in Duitsland de hoogste conversie efficiëntie van 46,7 procent behaald met een III-V concentrerende fotovoltaïsche cel (CPV) met een vier-junctie architectuur.

Een andere technologische doorbraak zijn de concentratorzonnecellen. Ze concentreren zonlicht met lenzen of spiegels op een klein fotovoltaïsch oppervlak. Hierdoor stijgt de lichtintensiteit en wordt warmteverlies geminimaliseerd, wat resulteert in aanzienlijke efficiëntieverbeteringen, vooral gunstig in zonnige regio's met veel direct zonlicht. Aan de andere kant spelen nanotechnologie en quantum dots een cruciale rol in het vergroten van de efficiëntie van zonnecellen. Door deze geavanceerde technologieën te integreren, kunnen wetenschappers een breder spectrum van fotonenergieën absorberen, wat leidt tot hogere efficiëntie en de mogelijkheid om verschillende delen van het zonnespectrum afzonderlijk te benutten. Ondanks dat deze technologieën nog in ontwikkeling zijn, tonen ze veelbelovend potentieel voor de verbetering van zonnecellen.

Tandemzonnecellen zijn ook een veel belovende technologie in zon energie van de toekomst. Ze benutten lagen met verschillende bandgap-energieën die boven op elkaar zijn gestapeld, waardoor ze een breder deel van het zonnespectrum kunnen benutten. Dit is vooral waardevol in toepassingen met een hoge energieopbrengst maar ook voor commerciële en residentiële zonne-energiesystemen.

Een laatste en interessante technologie zijn de perovskietzonnecellen. Ze maken gebruik van perovskietmaterialen met een specifieke kristalstructuur om zonlicht efficiënt om te zetten in elektrische energie, met potentieel voor hoge efficiëntie, lagere productiekosten en diverse toepassingsmogelijkheden. Ondanks uitdagingen zoals stabiliteit, blijft het onderzoek en de ontwikkeling van perovskietzonnecellen gestaag doorgaan.

De toekomst van zonne-energie
Door strategisch gebruik te maken van deze technologische doorbraken is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de efficiëntie van zonnecellen. Deze technologieën hebben niet alleen de theoretische beperkingen doorbroken, maar hebben ook de weg vrijgemaakt voor verdere vooruitgang in zonne-energie. Dit benadrukt niet alleen het potentieel voor verdere efficiëntieverbeteringen, maar ook de mogelijkheid om in de toekomst zonne-energie te zien evolueren en de theoretische grenzen te overstijgen.

Hoewel deze technologieën momenteel nog kostbaar zijn, zijn ze geschikt voor gebruik op locaties met beperkte ruimte vanwege hun hoge efficiëntie, waardoor ze een aanzienlijke hoeveelheid energie kunnen genereren. De toekomst van zonne-energie lijkt dus veelbelovend, met voortdurende innovaties die de efficiëntie blijven verhogen en de toepassingsmogelijkheden uitbreiden.