Kwantumopbrengst: hoeveel licht een technologie écht benut
Stel je voor dat je met een emmer in de regen staat om water op te vangen. Niet elke regendruppel die in je richting valt, komt ook daadwerkelijk in de emmer terecht: sommige spatten ernaast, andere verdampen onderweg. De verhouding tussen de druppels die je opvangt en de druppels die op je pad vallen, zegt iets over hoe efficiënt je emmer is. Kwantumopbrengst werkt volgens hetzelfde principe, maar dan met lichtdeeltjes (fotonen) in plaats van regendruppels. Het is de verhouding tussen het aantal fotonen dat een materiaal absorbeert en het aantal 'gebeurtenissen' dat daaruit voortkomt, zoals een uitgezonden lichtflits, een verplaatst elektron, of een chemische reactie.
Dit klinkt abstract, maar het begrip duikt op in verrassend veel technologie om ons heen. De led-lamp aan je plafond, het zonnepaneel op je dak, de kwantumdot-tv in de woonkamer en zelfs een blaadje aan een boom: ze werken allemaal beter naarmate hun kwantumopbrengst hoger is. Een hoge kwantumopbrengst betekent minder verspilling van energie als warmte en meer nuttig resultaat per opgevangen lichtdeeltje. Voor onderzoekers is het daarom een van de belangrijkste getallen om de kwaliteit van een nieuw materiaal te beoordelen.
Wat is het precies?
Om kwantumopbrengst te begrijpen, helpt het om het proces in stappen te volgen. Eerst valt er licht op een materiaal, bijvoorbeeld een kleurstofmolecuul, een halfgeleider in een zonnecel of een katalysator in water. Een deel van dat licht wordt gewoon gereflecteerd of gaat er dwars doorheen; dat telt niet mee. Het gaat alleen om de fotonen die daadwerkelijk worden geabsorbeerd.
Wanneer een foton wordt geabsorbeerd, tilt het een elektron in het materiaal naar een hogere energietoestand, de zogeheten 'aangeslagen toestand'. Vanaf hier kan er van alles gebeuren. Het elektron kan terugvallen naar zijn oorspronkelijke toestand en daarbij opnieuw een foton uitzenden (dat heet fluorescentie of, bij een iets tragere variant, fosforescentie). Het elektron kan ook worden overgedragen aan een naburig molecuul, wat de eerste stap is in bijvoorbeeld fotosynthese of een zonnecel. Of de energie kan simpelweg weglekken als warmte, zonder dat er iets nuttigs gebeurt; dat laatste heet een 'niet-stralend verlies' en is precies wat onderzoekers proberen te voorkomen.
De kwantumopbrengst, meestal aangeduid met het Griekse symbool Φ (phi), is dan simpelweg: het aantal nuttige gebeurtenissen gedeeld door het aantal geabsorbeerde fotonen. Een waarde van 1, of 100 procent, betekent dat elk geabsorbeerd foton tot het gewenste resultaat leidt. In de praktijk maakt men vaak onderscheid tussen de interne kwantumopbrengst (gerelateerd aan alleen de geabsorbeerde fotonen) en de externe kwantumopbrengst (gerelateerd aan alle fotonen die op het materiaal vielen, inclusief de fotonen die nooit zijn opgenomen). Dat verschil is belangrijk: een materiaal kan intern bijna perfect werken, maar toch een lage externe opbrengst hebben simpelweg omdat het licht niet goed absorbeert of doorlaat.
Wat wil men ermee bereiken?
De onderliggende drijfveer is bijna altijd dezelfde: minder energie verspillen. Bij ledlampen en oled-schermen betekent een hogere kwantumopbrengst dat een groter deel van de elektrische energie daadwerkelijk als licht naar buiten komt in plaats van als warmte verloren te gaan, wat toestellen zuiniger en langer houdbaar maakt. Bij zonnepanelen bepaalt de kwantumopbrengst mede hoeveel van het zonlicht wordt omgezet in bruikbare stroom, en dus hoe rendabel een paneel is.
Er is ook een minder voor de hand liggend doel: het namaken van fotosynthese. Planten en bepaalde bacteriën zijn extreem goed in het omzetten van lichtdeeltjes in bruikbare lading, met een kwantumopbrengst voor de eerste stap (ladingsscheiding in het reactiecentrum) die dicht bij de 100 procent ligt. Onderzoekers proberen al decennia kunstmatige systemen te bouwen die deze efficiëntie benaderen, om zo zonlicht direct om te zetten in brandstoffen zoals waterstof, in plaats van alleen in elektriciteit.
Daarnaast speelt kwantumopbrengst een rol in de geneeskunde, bijvoorbeeld bij fotodynamische therapie, waarbij een lichtgevoelige stof in het lichaam wordt geactiveerd om kankercellen te vernietigen. Ook in sensoren en beeldvormingstechnieken, zoals fluorescentiemicroscopie, is een hoge kwantumopbrengst essentieel om zwakke signalen zichtbaar te maken.
Voorbeelden uit de praktijk
Een van de bekendste doorbraken kwam uit de wereld van oled-schermen. Onderzoekers Stephen Forrest en Mark Thompson lieten aan het einde van de jaren negentig zien dat zogeheten fosforescente oled's een interne kwantumopbrengst tot bijna 100 procent kunnen halen, tegenover een theoretisch maximum van slechts ongeveer 25 procent voor de oudere, fluorescente oled-technologie. Dit werk vormde de basis voor het bedrijf Universal Display Corporation, waarvan de technologie tegenwoordig in vrijwel elk modern oled-scherm zit.
In 2011 presenteerde scheikundige Daniel Nocera van Harvard University zijn 'artificial leaf', een kunstmatig blad dat met zonlicht water splitst in waterstof en zuurstof. Enkele jaren later breidde hij dit samen met bioloog Pamela Silver uit tot de 'bionic leaf', waarbij bacteriën de geproduceerde waterstof gebruiken om brandstoffen te maken. Deze systemen worden nog altijd beoordeeld op hun (zonlicht-naar-brandstof) kwantumopbrengst, een maat die laat zien hoe ver kunstmatige fotosynthese nog van de natuur af staat.
Kwantumdots, piepkleine halfgeleiderdeeltjes van slechts enkele nanometers, kunnen tegenwoordig een fotoluminescentie-kwantumopbrengst van meer dan 90 procent bereiken wanneer ze zorgvuldig zijn omhuld met een beschermende schil. Dit onderzoek, waar onder meer Moungi Bawendi (MIT) een leidende rol in speelde, leverde in 2023 de Nobelprijs voor Scheikunde op. Diezelfde kwantumdots zitten inmiddels in commerciële producten zoals Samsungs QLED-televisies, waar ze zorgen voor scherpere en fellere kleuren.
Ten slotte is er de race om steeds efficiëntere zonnecellen, zoals bijgehouden in de bekende efficiëntiegrafiek van het Amerikaanse National Renewable Energy Laboratory (NREL). Perovskiet-siliciumtandemcellen, die twee lagen combineren om een breder deel van het zonnespectrum te benutten, haalden in 2023 en 2024 gecertificeerde rendementen van boven de 33 procent, mede dankzij verbeteringen in de kwantumopbrengst van de afzonderlijke lagen. Het exacte record verschuift regelmatig doordat verschillende laboratoria elkaar snel opvolgen.
Hoe ver is de techniek?
Het meten van kwantumopbrengst zelf is geen nieuwe wetenschap; de methoden bestaan al decennia en zijn goed gestandaardiseerd. Wat wél snel verandert, is hoe hoog de kwantumopbrengst is die onderzoekers in nieuwe materialen weten te bereiken. Bij led- en oled-technologie zijn interne kwantumopbrengsten dicht bij 100 procent inmiddels normaal voor bepaalde kleuren, al blijft vooral diepblauw licht een hardnekkig probleem omdat de gebruikte materialen daar sneller degraderen.
Bij zonnecellen en kunstmatige fotosynthese ligt het lastiger. Perovskietmaterialen, ondanks hun indrukwekkende laboratoriumresultaten, hebben nog last van stabiliteitsproblemen: hun kwantumopbrengst kan afnemen na blootstelling aan vocht, hitte of ultraviolet licht, wat de praktische toepassing vertraagt. Fotokatalytische waterstofproductie, zoals bij Nocera's kunstmatige blad, haalt in het lab hogere kwantumopbrengsten dan een decennium geleden, maar blijft nog ver verwijderd van de efficiëntie van natuurlijke fotosynthese wanneer je naar het hele systeem kijkt, inclusief opschaling en kosten.
Kortom: als meetmethode is kwantumopbrengst volwassen, maar als doel om te maximaliseren in nieuwe materialen is het een actief en soms traag vooruitgaand onderzoeksveld, met duidelijke vooruitgang in sommige toepassingen (oled's, kwantumdots) en meer hobbels in andere (stabiele perovskieten, kunstmatige fotosynthese op grote schaal).
Wie werken eraan?
Op het gebied van zonnecellen is het Amerikaanse NREL toonaangevend met zijn onafhankelijke certificering van rendementsrecords, samen met het Duitse Fraunhofer ISE in Freiburg, een van de grootste zonne-energie-onderzoeksinstituten van Europa. Michael Grätzel van de EPFL in Lausanne (Zwitserland) geldt als pionier van zowel kleurstofgevoelige als perovskiet-zonnecellen, terwijl Henry Snaith aan de universiteit van Oxford en het bedrijf Oxford PV een centrale rol spelen in de ontwikkeling van perovskiet-siliciumtandemcellen.
Op het gebied van oled-technologie blijft Universal Display Corporation, voortbouwend op het werk van Forrest en Thompson, een belangrijke speler, naast grote schermfabrikanten als Samsung en LG Display. Kwantumdotonderzoek wordt onder meer aangedreven door MIT, waar Moungi Bawendi werkzaam is, en door bedrijven als Nanosys die kwantumdotmaterialen leveren aan de beeldschermindustrie.
Op het vlak van kunstmatige fotosynthese en fotokatalyse is Harvard University, met onderzoekers als Daniel Nocera, een van de bekendste namen, naast talloze academische groepen wereldwijd die aan waterstofproductie met zonlicht werken. In Nederland doen onder meer de TU Delft, de TU Eindhoven en het onderzoeksinstituut AMOLF in Amsterdam relevant werk op het gebied van lichtgedreven materialen en zonnecellen.