EnglishBismutsulfide houdt zonne-energie langer vast: lading gaat ongeveer vier keer zo langzaam verloren
Onderzoekers van de Universiteit van Oxford ontdekten waarom bismutsulfide zonlicht goed opvangt én de lading lang vasthoudt. Dat geeft een recept om betere, niet-giftige materialen voor zonnecellen te vinden.
Een zonnecel moet twee dingen goed doen. Hij moet zoveel mogelijk zonlicht opvangen, en hij moet de elektrische lading die dat licht losmaakt lang genoeg vasthouden om er stroom van te maken. Die twee gaan meestal slecht samen. Onderzoekers van de Universiteit van Oxford laten nu zien dat het materiaal bismutsulfide allebei kan. Ze publiceerden hun werk op 28 oktober 2026 in het tijdschrift Nature.
Het probleem: goed opvangen, snel verliezen
Als licht op een zonnecel valt, maakt het een elektron los. Daarbij blijft er een plek achter met een positieve lading, een gat. Zolang elektron en gat apart blijven, kun je er stroom uit halen. Maar ze trekken elkaar aan. Vallen ze weer samen, dan is de energie verloren omdat ze wordt omgezet in warmte.
Bij de meeste materialen geldt: hoe beter ze licht opvangen, hoe sneller elektron en gat ook weer samenvallen. Dat komt doordat het samenvallen langs dezelfde weg gaat als het opvangen. Een makkelijke weg naar binnen is dan ook een makkelijke weg terug.
Een tussenstation dat de lading vasthoudt
Het team van natuurkundige Laura Herz onderzocht dunne laagjes bismutsulfide met zeer korte laserpulsen. Zo konden ze volgen wat de lading na het opvangen van licht doet.
Het materiaal blijkt een bijzondere opbouw te hebben. Het vangt licht vooral op langs één makkelijke weg. Maar vlak daaronder ligt een tweede, iets lager energieniveau. Vanaf dat niveau is de weg terug veel moeilijker, dus daar vallen elektron en gat maar heel langzaam samen. Omdat de twee niveaus dicht bij elkaar liggen, zakt de lading na het opvangen naar dat lagere niveau en blijft ze daar een groot deel van de tijd. Het werkt als een tijdelijke opslag, waar de lading wacht tot ze kan worden gebruikt. Dat bleek uit berekeningen van een tweede groep natuurkundigen in Oxford, onder leiding van Marina Filip. Zij rekenden uit hoe de energieniveaus in het materiaal liggen.
Volgens de schatting van het team gaat de lading bij kamertemperatuur daardoor ongeveer vier keer zo langzaam verloren als in gewone materialen die licht even sterk opvangen. Er is ook een opvallend bewijs. Bij de meeste materialen gaat lading sneller verloren als je ze afkoelt, maar bij bismutsulfide juist langzamer. Dat past bij de verklaring van de onderzoekers: hoe kouder het is, hoe meer lading in die opslag blijft.
Volgens Herz laat het werk zien dat de afweging tussen goed opvangen en snel verliezen niet onvermijdelijk is.
Een recept voor nieuwe materialen
Het onderzoek gaat over hoe het materiaal werkt, nog niet over een zonnepaneel. Maar het levert wel een recept op. Volgens de onderzoekers kun je nu in databanken met materialen gericht zoeken naar andere stoffen met dezelfde opbouw, of zulke stoffen zelf ontwerpen. Lading die langer blijft bestaan, kan ook helpen om met zonlicht brandstoffen te maken, zoals waterstof. Dat zijn de volgende stappen die het team voor zich ziet.
Bismutsulfide zelf heeft ook praktische voordelen. Het is ruim beschikbaar op aarde en niet giftig, in tegenstelling tot sommige materialen in zonnecellen die lood of cadmium bevatten. Dunne laagjes ervan kun je bovendien op eenvoudige manieren maken. Je kunt bijvoorbeeld een vloeistof op een snel ronddraaiend plaatje laten vallen, zodat die zich uitsmeert tot een flinterdun laagje. Of je zet een plaatje in een warm bad, waarin de laag er vanzelf op groeit. Dat kan bij een veel lagere temperatuur dan nodig is voor gewone zonnecellen van silicium. Daardoor is het makkelijker en goedkoper.
Bismutsulfide staat al langer in de belangstelling. In 2022 liet een team onder leiding van Imperial College London zien dat laagjes van natriumbismutsulfide van maar 30 nanometer dik ongeveer evenveel zonlicht opvangen als een gewone siliciumzonnecel, die zo'n 10.000 keer dikker is. Die laagjes bleven elf maanden stabiel aan de lucht, zonder beschermlaag.
Wat betekent dit voor de weg naar de singulariteit?
Een toekomst met veel meer rekenkracht, robots en elektrische apparaten vraagt om veel meer goedkope, schone stroom. Zonnecellen van niet-giftige stoffen die ruim beschikbaar zijn, kunnen daar een grote rol in spelen. Dit onderzoek pakt een van de basisproblemen van zonnecellen aan: lading die verloren gaat voordat je haar kunt gebruiken. Nu bekend is hoe bismutsulfide dat voorkomt, kunnen onderzoekers gericht op zoek naar meer materialen die hetzelfde kunnen.
