Meer stroom uit plastic zonnecellen

In een online-publicatie van het gerenommeerde tijdschrift Science beschrijven wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen, de universiteit van Cambridge (Engeland) en Mons (België) deze week een onderzoek naar het natuurkundige mechanisme waarmee plastic zonnecellen stroom leveren. Ze ontdekten een cruciale stap in de ladingsoverdracht die verklaart waarom slechts een deel van de overdracht heel efficiënt is. Nieuwe kennis, die de deur opent naar een hogere stroomopbrengst van deze duurzame vorm van elektriciteitswinning.

De natuurkundigen hopen op een doorbraak: ‘Onze nieuwe kijk op het mechanisme van stroomgeneratie zal belangrijk zijn bij de materiaalkeuze van de volgende generatie plastic zonnecellen. Die kunnen daardoor veel efficiënter zijn dan de huidige.’

Massaproductie

Normale zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Ze zijn al een flink aantal jaren op de markt; het tot nu hoogst gerealiseerd rendement ligt op 28 procent. Nieuw en net op de markt verschenen zijn zonnecellen van plastic. De opbrengst daarvan is lager, maar ze houden een belofte voor de toekomst in, namelijk die van goedkope massaproductie. Met eindeloze velden plastic zonnecellen zouden de woestijnen van nu de elektriciteitscentrales van de 21ste eeuw kunnen worden.

Overdracht

De werking van een plastic (ook wel ‘organische’) zonnecel is gebaseerd op de omzetting van zonlicht in elektrische stroom door de overdracht van elektronen tussen twee verschillende types moleculen: de donor en de acceptor. Tot nu toe was niet goed bekend hoe de elektronoverdracht precies plaatsvindt en welke materiaaleigenschappen de efficiëntie bepalen. Dit ondanks het belang ervan voor de werking van zonnecellen.

Algemeen werd aangenomen dat het energieverschil tussen de twee types moleculen beslissend is voor de efficiëntie van ladingsoverdracht en dus stroomgeneratie. Het in Science gepubliceerde onderzoek laat echter zien dat dit verschil weliswaar nodig, maar niet doorslaggevend is. Wel bepalend is een zeer kortlevende ladingsoverdrachttoestand. In die toestand zijn de plus- en min-ladingen op verschillende moleculen slechts zwak aan elkaar gebonden. Daardoor kunnen zij gemakkelijk van elkaar scheiden en daarmee stroom leveren.

Grotendeels ineffectief

Als de organische zonnecel licht vangt, wordt een deel van het licht direct omgezet in ladingsdragers via de kortlevende toestand. Een groot deel van het ingevangen zonlicht komt echter in een andere elektronisch aangeslagen toestand terecht. Van daaruit worden slechts zeer inefficiënt ladingsdragers voortgebracht.

Substantiële verhoging

Met geavanceerde lasertechnieken laten de onderzoekers zien dat deze inefficiënte elektronisch aangeslagen toestand met behulp van korte pulsen infrarood licht kan worden omgezet naar de efficiënte kortlevende ladingsoverdrachttoestand. Dat heeft een substantiële verhoging van het aantal ladingsdragers en dus meer elektrische stroom tot gevolg.

De onderzoekers van de Rijksuniversiteit Groningen zijn verbonden aan het Zernike Institute for Adavanced Materials.  Het onderzoek is medegefinancierd door een Rubiconsubsidie van NWO en door het Zernike Institute for Adavanced Materials.

Meer informatie:
Prof. dr. ir. Paul van Loosdrecht

Dr. Maxim Pchenitchnikov

Referentie
‘The Role of Driving Energy and Delocalised States for Charge Separation in Organic Semiconductors’, Artem A. Bakulin, Akshay Rao, Vlad G. Pavelyev, Paul H.M. van Loosdrecht, Maxim S. Pshenichnikov, Dorota Niedzialek, Jérôme Cornil, David Beljonne, and  Richard H. Friend. Science (2012). DOI: 0.1126/science.1217745

Het artikel verscheen 23 februari 2012 online als Science Express paper.