Doorbraak voor plastic zonnecellen

Plastic zonnecellen kunnen net zo’n hoog rendement halen als ‘klassieke’ zonnecellen van silicium. Aan de hand van theoretische modellen hebben onderzoekers van de FOM-focusgroep aan de Rijksuniversiteit Groningen, samen met een collega van de Universiteit van Denver, laten zien welke wegen naar de ‘Next Generation’ plastic zonnecellen kunnen leiden. Zij publiceerden de resultaten op 9 mei online in het tijdschrift Advanced Energy Materials.

Plastic zonnecellen hebben een paar belangrijke voordelen boven gewone zonnecellen van silicium. Ze zijn goedkoop te maken uit eenvoudige grondstoffen, licht en flexibel en dus te verwerken in bijvoorbeeld kleding of rugzakken. Maar de opbrengst is niet zo geweldig. Waar de gangbare zonnepanelen zo’n vijftien tot twintig  procent van het zonlicht in energie omzetten, blijven plastic zonnecellen nu nog ruim onder de tien procent steken.

Rendement

'Er heerst een soort minderwaardigheidsgevoel onder wetenschappers die aan plastic zonnecellen werken', zegt hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen prof. dr. Kees Hummelen, een van de pioniers van de plastic zonnecel. 'Ze denken dat hun zonnecellen nooit zo goed worden als die van silicium.' Rendementen boven de veertien procent lijken onmogelijk volgens veel deskundigen.

Het resultaat van alle berekeningen is een artikel dat omschrijft aan welke voorwaarden nieuwe materialen voor plastic zonnecellen moeten voldoen. Hoe die materialen er 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.'

Ingeving

Hummelen, leider van de  begin 2011 gestarte FOM-focusgroep 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.

Computermodel

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.

Minimaal energieverlies

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.

Contact: prof. dr. J.C. (Kees) Hummelen

Referentie: 'Pathways to a new efficiency regime for organic solar cells', L.J.A. Koster, S.E. Shaheen and J.C. Hummelen, Advanced Energy Materials, http://dx.doi.org/10.1002/aenm.201200103 10.1002/aenm.201200103