Denk aan zonnecellen en je ziet meteen die blauwe platen voor je. De karakteristieke kleur wordt veroorzaakt door het silicium dat er in zit. Dit bestanddeel haalt energie uit het zonlicht en zet dit om in elektriciteit. We weten niet beter dan dat zonnecellen uit silicium bestaan. Maar door de explosieve groei van de zonnecelindustrie is de prijs van silicium sinds 2005 als een komeet gestegen. Nu willen de fabrikanten maar wat graag een goedkoop alternatief.
Deze week is er één opgedoken, hoewel het om een materiaal gaat waar je niet meteen aan zult denken bij zonnecellen: grafeen. Dat is een enkele laag van koolstofatomen en staat bekend als wondermateriaal. Sterker dan staal en een betere geleider dan silicium belooft grafeen ultrasnelle chips en een nieuwe generatie beeldschermen. Grafeen lijkt een goede kandidaat om silicium ooit te vervangen als hoofdbestanddeel in computerchips. Gaat grafeen nu ook de strijd aan met silicium om de zonnecel?
Onder controle
Het element koolstof is goedkoop en in principe makkelijk te verkrijgen. Grafeen is bovendien in staat om een groot deel van de golflengtes in zonlicht te absorberen. Dat zijn belangrijke factoren voor een eventueel bestanddeel van zonnecellen. Maar grafeen heeft ook zijn mindere kanten. Het kost bijvoorbeeld veel moeite om grafeen te laten doen wat jij wil. Onderzoekers van de Universiteit van Indiana zijn de uitdaging aangegaan om grafeen onder controle te krijgen.
Ten eerste is het formaat belangrijk van een vel grafeen waarmee je licht wilt opvangen. Je zou denken: hoe groter, hoe beter. Maar bij een té groot oppervlak zet grafeen licht vooral om in warmte in plaats van elektriciteit. Je moet dus op zoek naar een compromis. Verder zijn laagjes grafeen ‘plakkerig’: ze trekken elkaar aan en vormen graag een stapel. Zo’n stapel maakt het afvoeren van elektronen lastig, dus je hebt liever enkele lagen. Tot nu toe was het gangbaar om grafiet – gestapelde lagen grafeen – op te breken en de losse lagen grafeen in polymeren te wikkelen. Als boterhammen in aluminiumfolie, zodat ze afgezonderd zijn van elkaar.
De onderzoekers hebben iets nieuws bedacht. Ze voegden zogenaamde ‘zij-groepen’, bestaande uit een koolstofring en armen van koolstof en water, toe aan het velletje grafeen. Deze ‘bodyguards’ hielden andere plakken grafeen op afstand. Door het op deze manier te doen, konden ze identieke grafeenplakken opbouwen van 168 atomen groot. De grootste stabiele laag grafeen ooit, volgens de onderzoekers.
Geluk
Je kunt wel veel licht opvangen, maar je moet het ook nog kunnen afgeven als elektriciteit. En dat gaat veel makkelijker in een oplossing. Grafeen kon mede dankzij de groepen oplossen in een organische vloeistof. In een eerste experiment haalde een primitieve zonnecel met grafeen een elektrische spanning van 0,48 volt, met een efficiëntie van 0,1 procent. Niet zo hoog dus. Maar, laat hoofdonderzoeker Liang-Shi Li weten, inmiddels zijn de resultaten alweer flink verbeterd.
Blijft de hamvraag over: is dit de nieuwe zonnecel? Li vindt het in ieder geval de moeite waard om daar naar toe te werken. “In principe moet dit de huidige zonnecel kunnen vervangen, maar we moeten nog werken aan de efficiëntie. Dat kost tijd. Hoeveel tijd is meer een kwestie van geluk: het kan snel gaan, maar het zou ons ook net zo goed decennia kunnen kosten. Het is belangrijk dat meer mensen zich op dit gebied gaan richten.”
Voorlopig dus nog even geen sterke concurrentie voor silicium uit de hoek van grafeen. Maar de tijd zal leren wie er uiteindelijk als winnaar uit de strijd komt.
Bron
Xin Yan en anderen, Large, Solution-Processable Graphene Quantum Dots as Light Absorbers for Photovoltaics, Nano Letters doi:10.1021 (8 april 2010)
Lees meer over grafeen:
Wat is grafeen, waarom is het zo bijzonder en wat kunnen we ermee? Word in één klap expert op het gebied van grafeen met ons overzichtelijke Kennislinkdossier.
De laatste artikelen over grafeen op Kennislink:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/grafeen.atom", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}