ECN ontwikkelt technologie voor organische zonnecel

--> -->

Petten, 6 augustus 1999

Sommige organische materialen, koolwaterstoffen, zijn zo gebouwd dat licht in één deel van het molecuul een elektron kan vrijmaken dat een ander deel van het molecuul kan opnemen. De groep die het elektron afstaat, de donor, benut de lichtenergie om een elektron af te stoten en de groep die het elektron opneemt, de acceptor, is energetisch gebaat bij een extra elektron. Zo'n molecuul is eigenlijk al een instrument om licht in elektriciteit om te zetten, een 'zonnecel'.

Onderdelen eerste organische zonnecel

Helaas zijn de verbindingen maar zelden goede zonnecellen. Nu eens reageren ze alleen maar op licht van een heel bepaalde golflengte terwijl een zonnecel bij voorkeur al het zonlicht moet kunnen gebruiken, dan weer valt de verbinding onmiddellijk terug in zijn oorspronkelijke toestand terwijl een zonnecel alleen werkt als de vrijgekomen elektronen ook daadwerkelijk voor stroom benut kunnen worden.

Sommige eisen aan een organische zonnecel zijn tegenstrijdig. Om veel licht op te kunnen vangen zou de koolstofverbinding er in een dikke laag in moeten zitten maar om de vrijgemaakte elektronen goed af te kunnen voeren zou de laag juist dun moeten zijn. Het gaat bij organische zonnecellen kortom om bijzondere verbindingen die ingenieus in een apparaatje moeten worden verwerkt om met de geproduceerde elektronen een spanning op te bouwen die voor het leveren van stroom benut kan worden.

Schematische werking van een Grätzel zonnecel

De eerste organische zonnecellen waren zeer inefficiënt. Als ze één procent van het opvallende zonlicht konden omzetten in elektriciteit, was dat veel. Michael Grätzel verbeterde de werking van de cel door titaniumoxide-deeltjes van 10-20 nanometer in een netwerk op een glasplaat aan te brengen en de kleurstof daarop in een laag van één molecuul dik te laten hechten. De oppervlakte van de kleurstof op het titaniumoxide-netwerk kan zo wel duizend keer groter worden dan de zichtbare oppervlakte van de organische zonnecel. Grätzel claimt dat hij met zijn cellen elf procent van het opvallende licht in elektriciteit kan omzetten maar in de praktijk zijn percentages rond de zeven gebruikelijker.

Het zeefproces

ECN is erin geslaagd flinterdunne organische zonnecelletjes op plastic film aan te brengen. Ook heeft ECN een zeefdrukproces ontwikkeld waarmee titaniumoxide in verscheidene laagjes op glas kan worden aangebracht. Per dag kunnen in het laboratorium redelijke hoeveelheden cellen worden gemaakt wat uitzicht biedt op industriële toepassing.

De organische zonnecellen

De organische zonnecel van Grätzel is ondertussen geschikt voor toepassingen binnenshuis, ook bij TL-licht. De afdichting die de trijodide-oplossing in de cel moet houden zorgt buitenshuis voor problemen. De gebruikte kit is gevoelig voor temperaturen boven de vijftig graden celsius die in de zon snel worden bereikt. ECN heeft patent aangevraagd op een koelsysteem voor zonnecellen van het type Grätzel maar toepassing buitenshuis is een zaak van de lange termijn.

Interview met Jan Kroon: 'Organische zonnecel moet lab uit.'

"Wil je nu zonnecellen kopen, dan kom je uit bij dure anorganische, de meeste op basis van silicium. Maar organische zonnecellen zijn veel makkelijker te maken en verdienen in bepaalde gevallen de voorkeur. Om een extreem voorbeeld te geven, een middelbare scholier kan in een lesuur scheikunde van bramensap en titaniumoxide een werkende cel maken die vrijwel niets kost en genoeg stroom levert voor een rekenmachientje. Wij proberen nu organische zonnecellen zo te verbeteren dat ze commercieel aantrekkelijk worden en het laboratorium uit komen.

Zo'n honderdvijftig jaar geleden merkte de fransman Alexandre Edmond Becquerel dat er een spanningsverschil ontstaat als je licht laat vallen op één van twee gelijke elektroden in een zoutoplossing. Het was dus bekend dat licht in elektriciteit kon worden omgezet maar het duurde een eeuw voordat anorganische zonnecellen in de ruimtevaart daar ook daadwerkelijk voor werden gebruikt. Het onderzoek heeft zich sindsdien vooral op siliciumcellen geconcentreerd.

Zo'n tien jaar geleden slaagde de zwitser Michael Grätzel er in een zonnecel te bouwen waarin organische moleculen licht in elektriciteit omzetten. Hij publiceerde dat in Nature. De nieuwe cel bleek zo goed te werken dat enkele bedrijfjes er een licentie op namen. Het stelde Grätzel in staat zijn cellen te verbeteren en overal te demonstreren. De man is beroemd om het koffertje waarin hij zijn uitvinding altijd met zich meedraagt.

Prototype Grätzel zonnecel

In de Grätzel-zonnecellen zitten kleurstoffen die licht kunnen absorberen en daarna elektronen kunnen afgeven. Ook in bramensap zit zo'n kleurstof. De vrijgemaakte elektronen moeten vervolgens kunnen worden afgegeven aan een halfgeleider en Grätzel vond dat je daarvoor de kleurstof het beste kon laten hechten aan een heel fijn poeder van titaniumoxide zodat de kleurstof over een groot oppervlak is verspreid. Titaniumoxide werkt goed en is goedkoop. Het wordt in grote hoeveeldheden gemaakt voor bijvoorbeeld witte verf en tandpasta. Om de cel zijn werk te kunnen laten doen moet de kleurstof terug kunnen keren in de oorspronkelijke staat en dus ook ergens elektronen vandaan kunnen halen. Daarom zit er in de cel van Grätzel een geleidende vloeistof met jodide, een ion dat een elektron kan afstaan.

ECN-medewerker Jan Kroon

Tien jaar geleden begon Wim Sinke met een paar mensen bij ECN aan zonnecellen op basis van silicium te werken. Nu is er een groep van veertig, vijftig man die alle aspecten van zonnecellen onderzoekt, dus ook de Grätzel-cel. We hopen ze vrij snel voor toepassingen binnenshuis op een reproduceerbare manier te kunnen maken. Op wat langere termijn hopen we de kennis die we opdoen te kunnen gebruiken voor het maken van cellen die ook buitenshuis gebruikt kunnen worden."

Deel: ' ECN ontwikkelt technologie voor organische zonnecel '




Lees ook