Toekomst voor plastic zonnecel?
“Er heerst een soort minderwaardigheidsgevoel onderwetenschappers die aan plastic zonnecellen werken,” stelthoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningenprof. dr. Kees Hummelen, één van de pioniers van de plasticzonnecel. “Ze denken dat hun zonnecellen nooit zo goed worden alsdie van silicium.”
20% meer rendement is mogelijk
De onderzoekers in Groningen laten nu zien dat het wel mogelijkis de randvoorwaarden te creëren voor plastic zonnecellen met hoogrendement. In een artikel in het tijdschrift Advanced EnergyMaterials zetten de wetenschappers uiteen aan welke voorwaarden hetnieuwe 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 iseen enorme zoektocht. Daarom hebben we dit nu gepubliceerd, zodatzoveel mogelijk andere onderzoeksgroepen kunnen meezoeken.” Deberekeningen laten zien dat een plastic zonnecel met een rendementvan meer dan twintig procent goed mogelijk is.
“Het betekent dat ze zelfs beter kunnen worden dan siliciumzonnecellen”, lacht Hummelen. Hij wijst op een schoudertas met eenplastic zonnecel zo groot als een A4-tje erop. “Daar kan je nu netje iPod mee opladen. Met de Next Generation plastic zonnecellenmoet je laptop erop kunnen lopen.”
Zonnecel uit organische moleculen
Hummelen, leider van de begin 2011 gestarte focusgroep vanFundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) die de komende tien jaarwerkt aan de ‘Next Generation’ organische zonnecel, kreeg twee jaargeleden een ingeving die leidde tot een uitgebreid theoretischonderzoek naar de mogelijkheden van zonnecellen die uitorganische moleculen en/of polymeren (plastics) bestaan.
De basis hiervoor werd gelegd in een project binnen het FOMJoint Solar Programme, waarin Hummelen nauw samenwerkte met prof.Sean Saheen (Denver University) en dr. Jan Anton Koster (RUG).”Traditioneel gebruiken onderzoekers in dit veld apolaireverbindingen om hun zonnecellen te maken.” Dit zijn olieachtigestoffen, waarin bijvoorbeeld geladen ionen slecht oplossen.
“Maar zo kunnen ze ook elektrische ladingen maar moeilijkverwerken.” En dat is precies wat een zonnecel goed moet doen:vrije ladingen die het invallend zonlicht in de zonnecelproduceert, moeten netjes naar buiten worden geleid.
Samen met zijn collega’s bekeek Hummelen wat er zou gebeurenwanneer ze het zonlicht met polaire of polariseerbare moleculenzouden opvangen. Net als bijvoorbeeld water zijn die ongeladen,maar ze hebben wel een plus- en een minpool of ze kunnen diegemakkelijk tijdelijk vormen. Het materiaal krijgt daardoor eenhoge diëlektrische constante.
Het onderzoek gebeurde met behulp van een computermodel dat deefficiëntie waarmee nieuwe materialen zonlicht in stroom omzettenkan uitrekenen. De uitkomst was dat door gebruik van zulkematerialen de efficiëntie van de zonnecellen er flink opvooruitging.
Eigenschappen onder de loep
Verder keken de drie nog naar een aantal eigenschappen van hetlichtgevoelige materiaal, zoals de kleur en de manier waarop donoren acceptor samenwerken. In een zonnecel ontstaat stroom doordateen lichtdeeltje (foton) een elektron in het donormateriaal extraenergie geeft. Daarna kan het overspringen naar een acceptor, diedaarmee een negatieve lading krijgt.
“De sprong die zo’n elektron maakt kost energie. Door donor enacceptor optimaal op elkaar af te stemmen, kun je hetenergieverlies minimaliseren. In ons artikel laten we zien wat degevolgen hiervan zijn voor de efficiëntie.”
Daarnaast veranderen sommige moleculen van vorm wanneer ze eenelektron opnemen of afstaan. “Dat kost ook energie, die in de vormvan warmte verloren gaat. Terwijl je wilt dat de cel zoveelmogelijk stroom produceert”, zegt Hummelen. Ook hierbij isberekend hoe groot de vormverandering mag zijn om niet te veelefficiëntie te verliezen.
