Wetenschappers doorbreken 'fysische grens' van zonne-energie en halen 130% rendement: "toepassing niet onmogelijk"
In dit artikel:
Onderzoekers uit Japan (Kyushu University) en Duitsland (Johannes Gutenberg University Mainz) melden een doorbraak waarmee de klassieke grens van zonnecellen wordt doorbroken: ze rapporteerden een kwantumrendement van circa 130% — gemiddeld 1,3 energiedragers per geabsorbeerd foton. Het werk, gepubliceerd in het Journal of the American Society, gebruikt een nieuw ontworpen “spin-flip” emitter (een molybdeen-gebaseerd metaalcomplex) in combinatie met tetraceen-achtige materialen om singlet fission effectief te benutten.
Singlet fission is een proces waarbij één geabsorbeerd foton twee excitonen kan genereren, wat in theorie de opbrengst van zonnecellen flink kan verhogen. In de praktijk werd die meeropbrengst vaak weggehaald door Förster resonance energy transfer (FRET), waardoor de extra energie het systeem verlaat voordat ze nuttig kan worden omgezet. De spin-flip emitter verandert de elektronspin tijdens absorptie/emissie en is energetisch afgestemd op de triplet-excitonen die bij singlet fission ontstaan. Daardoor vangt het complex de vermenigvuldigde excitonen selectief op en onderdrukt het FRET-verlies, wat leidde tot het gemelde rendement van ~130% in oplossing (vloeibare fase).
De implicaties zijn groot: de klassieke één-op-één-regel van foton naar elektron blijkt niet absoluut, en de theoretische bovengrens voor dergelijke processen ligt zelfs rond 200%. Praktisch betekent dit dat zonnestroom potentieel veel efficiënter kan worden gemaakt dan de huidige commerciële panelen (die vaak 20–27% behalen en volgens de Shockley–Queisser-limiet circa 33,7% zouden kunnen bereiken). Naast hogere opbrengst verwachten de onderzoekers minder energieverlies als warmte, wat materialen en systemen duurzamer en stabieler kan maken.
Belangrijke kanttekening is dat het experiment nu nog in de vloeibare fase is uitgevoerd; de grote technische uitdaging is integratie in vaste (solid-state) apparaten zoals commerciële zonnepanelen. Dat is complex maar volgens de auteurs niet onmogelijk. Als die stap lukt, kan het leiden tot sterk verbeterde zonnecellen, efficiëntere leds, nieuwe opto-elektronische toepassingen en bijdragen aan quantumtechnologie. De samenwerking tussen de universiteiten (inclusief uitwisseling van een student uit Mainz) benadrukt het belang van internationale samenwerking bij fundamenteel onderzoek.
Kortom: het onderzoek toont tastbaar aan dat natuurkundige beperkingen voor zonne-energie minder star zijn dan gedacht en opent een veelbelovende route naar aanzienlijk hogere efficiënties — mits het concept succesvol naar vaste, commerciële systemen vertaald kan worden.