Laptoptas is straks batterij

Zonnecellen op je jas, je tas of in een doorzichtige laag op je raam. Dat kan allemaal, wanneer je ze ten minste niet van het harde, ondoorzichtige silicium maakt, maar van plastic.

Minderwaardigheidsgevoel

Deze ‘organische’ zonnecellen zijn aan een opmars bezig. Maar een groot nadeel is het rendement. Dat is veel lager dan van een klassieke zonnecel. En veel wetenschappers denken dat ze nooit zo goed zullen worden als cellen van silicium. Onzin, weet chemicus Kees Hummelen. Samen met twee collega’s rekende hij uit dat plastic zonnecellen een prima rendement kunnen halen.

“Er heerst een soort minderwaardigheidsgevoel onder wetenschappers die aan plastic zonnecellen werken”, zegt Hummelen, hoogleraar organische chemie aan de Rijksuniversiteit Groningen een van de pioniers van de plastic zonnecel. Rendementen boven de veertien procent voor plastic zonnecellen lijken volgens veel deskundigen onmogelijk. Silicium zonnepanelen zetten vijftien tot twintig procent van het licht om in stroom.

Beste materialen

Anderhalf jaar geleden begon Hummelen eens goed te kijken naar de mogelijkheid van de plastic zonnecel. Die zijn traditioneel gemaakt van apolaire en/of moeilijk polariseerbare (link wiki naar polariseerbaarheid) organische moleculen. “Dat is historisch zo gegroeid”, zegt hij nu. Maar misschien zijn het niet de beste materialen.

Een apolair molecuul heeft geen ‘plus’ of ‘min’ pool. Dat in tegenstelling tot polaire verbindingen zoals bijvoorbeeld water, waarvan de H₂O moleculen wel een plus en min kant hebben. Daardoor kan je in water eenvoudig geladen ionen oplossen. Die voelen zich thuis tussen al die plussen en minnen. In polariseerbare moleculen ontstaan gemakkelijk kortstondig plus en min kanten als er ladingen in de buurt zijn. Daarom gaan ook die goed samen.

Modellen

Bij een zonnecel ontstaan natuurlijk ook ladingen, zonlicht maakt negatief geladen elektronen vrij. “Maar apolaire en moeilijk polariseerbare moleculen kunnen daar niet zoveel mee”, legt Hummelen uit. Een collega maakte modellen waarin de onderzoekers het gedrag van zonnecellen gemaakt van verschillende soorten verbindingen konden bestuderen. Met polaire en polariseerbare verbindingen bleken de cellen veel efficiënter te kunnen werken.

Verder keken Hummelen en zijn twee collega’s nog naar een aantal eigenschappen van het lichtgevoelige materiaal waarvan de zonnecel gemaakt is, 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. Wij hebben uitgerekend wat de gevolgen hiervan zijn voor de efficiëntie.”

iPod

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.

De conclusie van al dit rekenwerk, dat anderhalf jaar duurde, is 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.”

Meer informatie:

Het rekenwerk van Kees Hummelen en zijn collega’s is vorige week verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Energy Materials.

Hummelen is voorzitter van de ‘Focusgroep’ van de stichting FOM (Fundamenteel Onderzoek der Materie) die de komende tien jaar de ‘Next Generation’ plastic zonnecellen moet ontwikkelen.

Bij FOM kan je ook meer lezen over de plastic zonnecellen.

Kees Hummelen is verder wetenschappelijk directeur van het Stratingh Instituut voor scheikundig onderzoek aan de RUG.