Fotosynthese
Het materiaal waarvan de meeste zonnecellen worden gemaakt is silicium, een halfgeleider. Silicium heeft vier valentie-elektronen. Bij een temperatuur van nul Kelvin bevinden deze elektronen zich bij een siliciumkern. Door absorptie van licht kan een elektron vrijgemaakt worden. Natuurkundigen zeggen dan dat zo’n elektron promoveert naar de geleidingsband. Deze vrije elektronen zorgen voor de elektrische geleiding.
Dit lukt echter niet met licht van elke willekeurige golflengte. Een lichtdeeltje (foton) moet een minimale energie hebben. Zo hebben fotonen uit blauw licht een hogere energie dan fotonen uit rood licht. Maar wanneer een foton daarentegen meer energie heeft dan nodig om een molecuul uit de halfgeleider in aangeslagen toestand te brengen, leidt dit ook tot verlies. Ongeveer zeventig procent van de beschikbare zonne-energie blijft daardoor gewoon onbenut.
Veel bacteriën en alle groene planten zijn voor hun energiebehoefte ook afhankelijk van de zon, maar zij maken beter gebruik van zonlicht. Dit doen ze door middel van fotosynthese. Bij dit proces worden water en koolstofdioxide gas met behulp van het zonlicht omgezet in koolhydraten en zuurstof. De absorptie van licht verloopt zodanig dat onnodig energieverlies vermeden wordt. Het licht wordt opgevangen door een complex van pigmenten. Deze hebben een absorptiespectrum dat precies overeenstemt met het spectrum van het zonlicht. Er gaat bij wijze van spreken geen foton verloren. De energie die door de pigmenten van het bladgroen in een blaadje wordt geabsorbeerd, wordt doorgegeven aan een eiwitcomplex, waarin de eigenlijke reacties plaatsvinden die leiden tot de vorming van koolhydraten en zuurstof (zie ook binas tabellenboek).
Kleurstoffen
Sinds de jaren zeventig wordt geprobeerd op basis van dit principe een verbeterde zonnecel te maken. Het idee erachter is simpel. Je brengt een laag kleurstofmoleculen, die het licht sterk absorberen, in contact met een halfgeleider. Als de kleurstof is geëxciteerd, staat deze een elektron af aan de geleidingsband van de halfgeleider. Je bent op die manier niet meer afhankelijk van de lichtabsorptie van de halfgeleider zelf.
Melvin Calvin – in 1961 Nobelprijswinnaar Scheikunde – was een van de eerste die op dit gebied aan de slag ging en kristallen van de halfgeleider titaandioxide bedekte met een laagje bladgroen. Omdat de elektronen zich maar moeizaam door de kleurstof heen bewogen, moet deze laag heel dun zijn. Anders zouden ze de halfgeleider nooit bereiken. Maar hoe dunner de laag, hoe minder licht er werd geabsorbeerd en hoe minder elektronen er beschikbaar waren. Het rendement van die eerste zonnecellen bedroeg niet meer dan 0,01 procent.
Nanobolletjes
Het was de Zwitser Michael Graetzel, die in 1991 samen met zijn toenmalige student Brian O’Regan een uitweg vond uit deze impasse. In plaats van één groot halfgeleiderkristal van titaandioxide te kiezen, kozen zij voor veel kleine bolletjes. De bolletjes werden in de vorm van een pasta in een dunne laag op een glasplaatje gesmeerd. Door de op die manier opgebrachte laag even te verhitten, werd een sponsachtig materiaal verkregen. Vervolgens werd het ondergedompeld in een kleurstofoplossing, bestaande uit ruthenium complexen opgelost in alcohol. Zo werden de bolletjes bekleed met een flinterdunne laag kleurstof. Maar omdat de afmetingen van de bolletjes zo klein zijn – niet meer dan twintig nanometer – was op deze manier het effectieve oppervlak dat beschikbaar was om het licht te absorberen toch vergroot met een factor duizend.
Het principe is eenvoudig. Een kleurstofmolecuul absorbeert licht waardoor het in een aangeslagen toestand komt. Vanuit deze toestand is het gunstig om het elektron over te dragen aan de geleidingsband van het titaandioxide. Het titaandioxide bolletje wordt negatief geladen en het kleurstofmolecuul krijgt een positieve lading. Er kan nooit meer dan één elektron op een bolletje TiO2. Het was een enorm succes. Het zonlicht werd heel efficiënt in elektrische stroom omgezet. Het energierendement – het elektrisch vermogen gedeeld door het ingestraalde zonnevermogen – bedroeg zo’n tien procent.
Omdat de vloeibare elektrolyt de levensduur van de zonnecel beperkt, wordt aan de TU Delft gezocht naar een methode om een zonnecel met een vaste elektrolyt te realiseren. Hiervoor worden de poriën van de titaandioxide-spons gevuld met een p-type halfgeleider. Het verschil in brekingsindex tussen titaandioxide en de halfgeleider levert verstrooiing op en dus een langere weglengte van het licht. Daardoor kan meer licht worden geabsorbeerd.
Kleurenfotografie
Al meer dan honderdvijftig jaar berust de lichtgevoeligheid van fotografisch materiaal op een reactie waarbij onder invloed van licht positief geladen zilverionen worden omgezet in zilveratomen. Die zorgen in het negatief voor de benodigde zwarting. De zilverionen zijn aanwezig in de vorm van microkristallen van bijvoorbeeld zilverbromide. Nu zijn zilverbromide films uitsluitend gevoelig voor blauw licht. Dat is de reden dat je in een doka zonder problemen een rode lamp aan mag hebben. Om een kleurenfoto te kunnen maken, moet het zilverbromide ook in het groen en rood absorberen. Daartoe worden de kristallen omgeven met een dunne laag van een speciale kleurstof. Na absorptie van bijvoorbeeld een of meer groene fotonen maakt deze een elektron beschikbaar waarmee een zilverion kan worden omgezet. Het is dan ook niet vreemd dat Kodak al zo’n twintig jaar geleden met onderzoek aan zonnecellen begon. Overigens maken ook fotokopieerapparaten en laserprinter vaak gebruik van organische lichtgevoelige materialen.
Dit artikel is eerder verschenen in nummer 3 uit de jaargang 2002 van het blad Archimedes, naar een artikel uit Delft Integraal 2000: 4 (TU Delft).