"Er heerst een soort minderwaardigheidsgevoel onder
wetenschappers die aan plastic zonnecellen werken," stelt
hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen
prof. dr. Kees Hummelen, één van de pioniers van de plastic
zonnecel. "Ze denken dat hun zonnecellen nooit zo goed worden als
die van silicium."
20% meer rendement is mogelijk
De onderzoekers in Groningen laten nu zien dat het wel mogelijk
is de randvoorwaarden te creëren voor plastic zonnecellen met hoog
rendement. In een artikel in het tijdschrift Advanced Energy
Materials zetten de wetenschappers uiteen aan welke voorwaarden het
nieuwe materiaal zal moeten voldoen.
Hoe die materialen er dan precies uitzien is nog niet bekend.
"Daar zijn we natuurlijk mee bezig," zegt Hummelen. "Maar dat is
een enorme zoektocht. Daarom hebben we dit nu gepubliceerd, zodat
zoveel mogelijk andere onderzoeksgroepen kunnen meezoeken." De
berekeningen laten zien dat een plastic zonnecel met een rendement
van meer dan twintig procent goed mogelijk is.
"Het betekent dat ze zelfs beter kunnen worden dan silicium
zonnecellen", lacht Hummelen. Hij wijst op een schoudertas met een
plastic zonnecel zo groot als een A4-tje erop. "Daar kan je nu net
je iPod mee opladen. Met de Next Generation plastic zonnecellen
moet je laptop erop kunnen lopen."
Zonnecel uit organische moleculen
Hummelen, leider van de begin 2011 gestarte focusgroep van
Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) die de komende tien jaar
werkt aan de 'Next Generation' organische zonnecel, kreeg twee jaar
geleden een ingeving die leidde tot een uitgebreid theoretisch
onderzoek naar de mogelijkheden van zonnecellen die uit
organische moleculen en/of polymeren (plastics) bestaan.
De basis hiervoor werd gelegd in een project binnen het FOM
Joint Solar Programme, waarin Hummelen nauw samenwerkte met prof.
Sean Saheen (Denver University) en dr. Jan Anton Koster (RUG).
"Traditioneel gebruiken onderzoekers in dit veld apolaire
verbindingen om hun zonnecellen te maken." Dit zijn olieachtige
stoffen, waarin bijvoorbeeld geladen ionen slecht oplossen.
"Maar zo kunnen ze ook elektrische ladingen maar moeilijk
verwerken." En dat is precies wat een zonnecel goed moet doen:
vrije ladingen die het invallend zonlicht in de zonnecel
produceert, moeten netjes naar buiten worden geleid.
Samen met zijn collega's bekeek Hummelen wat er zou gebeuren
wanneer ze het zonlicht met polaire of polariseerbare moleculen
zouden opvangen. Net als bijvoorbeeld water zijn die ongeladen,
maar ze hebben wel een plus- en een minpool of ze kunnen die
gemakkelijk tijdelijk vormen. Het materiaal krijgt daardoor een
hoge diëlektrische constante.
Het onderzoek gebeurde met behulp van een computermodel dat de
efficiëntie waarmee nieuwe materialen zonlicht in stroom omzetten
kan uitrekenen. De uitkomst was dat door gebruik van zulke
materialen de efficiëntie van de zonnecellen er flink op
vooruitging.
Eigenschappen onder de loep
Verder keken de drie nog naar een aantal eigenschappen van het
lichtgevoelige materiaal, zoals de kleur en de manier waarop donor
en acceptor samenwerken. In een zonnecel ontstaat stroom doordat
een lichtdeeltje (foton) een elektron in het donormateriaal extra
energie geeft. Daarna kan het overspringen naar een acceptor, die
daarmee een negatieve lading krijgt.
"De sprong die zo'n elektron maakt kost energie. Door donor en
acceptor optimaal op elkaar af te stemmen, kun je het
energieverlies minimaliseren. In ons artikel laten we zien wat de
gevolgen hiervan zijn voor de efficiëntie."
Daarnaast veranderen sommige moleculen van vorm wanneer ze een
elektron opnemen of afstaan. "Dat kost ook energie, die in de vorm
van warmte verloren gaat. Terwijl je wilt dat de cel zoveel
mogelijk stroom produceert", zegt Hummelen. Ook hierbij is
berekend hoe groot de vormverandering mag zijn om niet te veel
efficiëntie te verliezen.