Energie maken met futloze fotonen

Zonnepanelen hebben een probleem, net als Goudhaartje uit het sprookje. Om efficiënt te werken mogn de fotonen (lichtdeeltjes) die het paneel raken niet te veel energie hebben, ook niet te weinig, nee, de energie moet precies goed zijn.

Infrarood

Bij fotonen die te veel energie hebben gaat een deel verloren als warmte, terwijl een zonnecel fotonen met te weinig energie helemaal niet kan absorberen. Die vliegen er gewoon doorheen. Scheikundigen van de Rijksuniversiteit Groningen hebben nu een manier gevonden om toch zonne-energie te produceren met die futloze fotonen. Hun onderzoek is 15 juli gepubliceerd op de website van het tijdschrift Nature Photonics.

“Dit probleem beperkt de efficiëntie waarmee zonnecellen licht omzetten in energie”, legt hoogleraar organische chemie Kees Hummelen uit. De meeste typen zonnecellen, inclusief de plastic zonnecellen waar Hummelen onderzoek naar doet, absorberen vooral zichtbaar licht. “Maar het spectrum van de zon is veel breder. Ongeveer de helft van het zonlicht dat het aardoppervlak bereikt is nabij-infrarood. Dat soort straling absorberen gewone zonnecellen niet, omdat de infrarode fotonen te weinig energie hebben.”

Upconversie

Een mogelijke oplossing hiervoor is een proces dat ‘upconversie’ heet. “Wat je in principe doet is dat je twee fotonen met weinig energie samenvoegt tot een energierijk foton.” Er bestaan anorganische materialen die dit kunstje kunnen uitvoeren, maar die hebben twee zwakke punten: “de conversie verloopt erg inefficiënt, maar een paar procent van de fotonen wordt samengevoegd. En deze materialen absorberen zelf maar weinig infrarode fotonen.”

Hummelen besloot dit laatste probleem aan te pakken. “We begonnen met nanokristallen die bestaan uit een mengsel van zeldzame aardmetalen, waarvan bekend is dat ze upconversie kunnen uitvoeren. Aan die kristallen hebben we vervolgens antennes gekoppeld.”Deze antennes zijn moleculen die fotonen opvangen die de nanokristallen zelf niet absorberen. “Maar als ze eenmaal gevangen zijn door de antennes, wordt de energie van de fotonen aan het kristal doorgegeven.” De inspiratie kreeg Hummelen uit de natuur. Planten bezitten grote moleculen die licht ‘oogsten’ en doorgeven aan de actieve centra waar fotosynthese plaatsvindt.

Veel werk

Het kostten een jaar om de juiste antenne te ontwerpen en te maken. “We moesten een molecuul vinden dat stabiel was en dat we aan een nanokristal konden vastmaken.” Er was nog meer tijd nodig om uit te zoeken hoe goed de antennes functioneren. Dit werk is gedaan door promovendsu Wenqiang Zou, postdoc Cindy Visser en Jeremio Maduro, een masterstudent bij de Educatie & Communicatie master van de Faculty of Science and Engineering (voorheen de Faculteit Wiskunde en Natuurwetenschappen). Hummelen en zijn collega Maxim Pchenitchnikov begeleidden het werk. Het resultaat was meer dan bevredigend: met de antennes produceerden de nanokristallen 3300 keer zo veel energie via upconversie van infrarode fotonen. Het resultaat is zondag 15 juli gepubliceerd op de website van het tijdschrift Nature Photonics.

Medische beeldvorming

Hoewel de toename in de oogst van energie spectaculair oogt, is het nog steeds niet voldoende om de totale energieproductie van plastic zonnecellen wezenlijk te verhogen. “We oogsten nog steeds fotonen uit maar een deel van het infrarode spectrum. En de efficiëntie van upconversie bedraagt in de praktijk een fractie van een procent. Dat moet ten minste honderd keer beter als we echt een verschil willen maken.”

Verbetering van de upconversie ligt niet in de lijn van het onderzoek dat de groep van Hummelen doet. Maar het team probeert inmiddels wel een groter deel van de infrarode fotonen op te vangen. En er zijn nog meer onderzoeksvragen. De upconversie materialen zijn niet alleen belangrijk voor zonnecellen, maar ook voor telecommunicatie via glasvezel en voor medische beeldvorming. “Infrarood licht kan dieper in weefsels doordringen dan zichtbaar licht. Door materialen die upconversie uitvoeren specifiek te laten binden aan bepaalde cellen in levend weefsel kan je een afbeelding maken door er met infrarood licht op te schijnen.” Verder zullen de kristallen met antennes getest worden in echte zonnecellen. “We hebben een Duitse onderzoeksgroep onze materialen gegeven en die gaat ze inbouwen in zonnecellen.

Wordt vervolgd dus…

Het onderzoek is uitgevoerd aan het Stratingh Instituut voor Chemie en het Zernike Institute for Advanced Materials, beide van de RUG.

Kees Hummelen is voorzitter van de ‘FOM-focus groep’ die in 2011 gestart is met een tienjarig onderzoek dat de ‘next generation’ plastic zonnecellen moet opleveren.

Referentie: Broadband Dye-Sensitized Upconversion of Near-IR Light , Wenqiang Zou¹, Cindy Visser¹, Jeremio A.Maduro¹, Maxim S. Pshenichnikov² and Jan C. Hummelen^1,2*; ¹Stratingh Institute for Chemistry, University of Groningen, ²Zernike Institute for Advanced Materials, University of Groningen, The Netherlands; Nature Photonics, DOI 10.1038/nphoton.2012.158

Weetje?!

De nanokristallen bevatten de zeldzame aardmetalen yttrium, ytterbium en erbium. Je vraagt je misschien af waarom die namen zo op elkaar lijken. Dat is omdat ze alle drie ontdekt zijn in dezelfde mijn, in de buurt van het Zweedse dorpje Ytterby. Die mijn leverde nog meer ontdekkingen op, de elementen terbium, holmium, thullium en gadolinium.