Je leest:

Energietransfer in ‘natuurgebaseerde’ zonnecel sterk verbeterd

Energietransfer in ‘natuurgebaseerde’ zonnecel sterk verbeterd

Auteur: | 27 maart 2008

Een kleurstofgesensibiliseerde zonnecel, gemaakt van een goedkope halfgeleider met een laagje kleurstof, kan een goedkoop alternatief zijn voor de bekende silicium zonnecellen. Dit relatief nieuwe type zonnecel zet zonlicht om in energie op een manier die is afgekeken van de fotosynthese in planten. Dr. ir. Annemarie Huijser bestudeerde de moleculaire organisatie van deze zonnecel en concludeert dat de efficiëntie van de energieoverdracht nog aanzienlijk te verbeteren valt. Huijser promoveerde afgelopen dinsdag aan de TU Delft.

Zonnecellen zijn al jarenlang aan een gestage opmars bezig, maar heel erg snel gaat het niet. Daar zou verandering in kunnen komen als de prijs van de cellen flink omlaag gaat. Voor het meestgebruikte type, gemaakt van silicium, zit dat er niet in omdat de productie relatief duur is. Overal in de wereld zijn onderzoekers daarom naarstig op zoek naar alternatieve, goedkopere zonnecellen.

Bij één van de alternatieven halen wetenschappers hun inspiratie uit de natuur. Planten zijn immers in staat om zonlicht effectief te benutten voor hun stofwisseling. De manier waarop de planten, maar ook bepaalde lichtgevoelige bacteriën, het zonlicht oogsten, vormt de basis voor een nieuwe generatie zonnecellen. Bekend is de Grätzel-cel, genoemd naar de Zwitserse chemicus Michael Grätzel die dit concept als eerste uitwerkte.

De nieuwe ‘natuurgebaseerde’ cellen zijn in principe veel goedkoper te produceren, maar toch vormen ze nog geen serieuze concurrentie. Dat komt onder andere omdat ze het qua efficiëntie nog tegen de siliciumcel afleggen.

Proefserietje van kleurstofzonnecellen waarbij steeds een andere kleurstof werd gebruikt. Beeld: SCHOTT Solar GmbH

Eén van de te overwinnen barrières is het transport van de opgenomen zonne-energie over voldoende lange afstand. Planten overbruggen met gemak de 15-20 nanometer van het moleculaire systeem dat het zonlicht opneemt, naar het systeem dat verantwoordelijk is voor de omzetting in chemische energie. Dat komt doordat de chlorofylmoleculen in bladeren optimaal gerangschikt zijn.

In de kleurstofzonnecellen blijkt het erg lastig de ‘excitonen’ die het transporteren van de energie voor hun rekening nemen, méér dan enkele nanometers te laten bewegen. Een oplossing is dan om het lichtoogstende materiaal (de kleurstof, afgekeken van de natuur) op nanoschaal te mengen met het materiaal dat de elektriciteit produceert (de halfgeleider, meestal titaandioxide). Maar dan is het weer lastig de geproduceerde elektronen te ‘verzamelen’.

Legoblokjes

Het promotieonderzoek van Annemarie Huijser was gericht op een kleurstofzonnecel met een ander opbouw. Kleurstof en halfgeleider komen daarbij in twee dunne lagen voor. Juist dan is het van belang dat de excitonen voldoende ver kunnen bewegen; ze moeten immers van overal in de kleurstoflaag de opgenomen energie naar de halfgeleider kunnen brengen. En hoe dikker de kleurstoflaag, hoe meer licht er opgenomen kan worden.

In haar onderzoek probeerde Huijser de rangschikking van de kleurstofmoleculen zodanig te optimaliseren dat de overdracht van energie zou verbeteren. Huijser: ‘Je kunt de kleurstofmoleculen vergelijken met legoblokjes. Ik heb de stapeling van de blokjes gevarieerd en bekeken welk effect dat had op het excitontransport in de zonnecel. Excitonen moeten zo vrijelijk mogelijk door de zonnecel bewegen om efficiënt elektriciteit op te wekken.’

De kersverse doctor bestudeerde een aantal moleculaire varianten van porfyrine, dat ook in het actieve centrum van chlorofyl voorkomt. Ze wist daarbij de weg die de excitonen in de zonnecel afleggen sterk te verlengen. Ze halen nu 15 tot 20 nanometer, vergelijkbaar met het transport in natuurlijke systemen. Huijser verkreeg dit resultaat met een zelforganiserend porfyrinesysteem dat over een positief geladen zinkkern en negatieve zijtakken beschikt. De staart van het ene molecuul zoekt dan de zinkkern van het andere op, waardoor spontaan een ordening ontstaat. De moleculen rangschikken zich daarbij als parallelle rijen omgevallen dominostenen.

Het onderzoek van Huijser biedt aanknopingspunten voor verbetering van de efficiëntie van de kleurstofzonnecel. Maar om dit type zonnecel echt commercieel interessant te maken, moet de beweeglijkheid van de excitonen volgens Huijser nog met ongeveer een factor drie omhoog. Ze acht dat zeker mogelijk. In Delta, het universiteitsblad van de TU Delft, zegt ze deze week dat het goede resultaat in zeker zin een ‘lucky shot’ was. Ze heeft nu vooral laten zien dat de configuratie van de kleurstofmoleculen er echt toe doet. De volgende stap is om heel gericht kleurstofmoleculen te ontwerpen met het oog op een optimale stapeling en dito ladingstransport. ‘Daarna staat niets de verdere ontwikkeling van dit type zonnecel in de weg.’

Dit artikel is een publicatie van TU Delta.
© TU Delta, alle rechten voorbehouden
Dit artikel publiceerde NEMO Kennislink op 27 maart 2008

Discussieer mee

0

Vragen, opmerkingen of bijdragen over dit artikel of het onderwerp? Neem deel aan de discussie.

NEMO Kennislink nieuwsbrief
Ontvang elke week onze nieuwsbrief met het laatste nieuws uit de wetenschap.