Plastic zonnecellen, ook bekend als organische zonnecellen, gebruiken polymeren in plaats van het gangbaardere silicium om de energie uit zonlicht om te zetten in elektriciteit. Plastic als basismateriaal maakt deze zonnecellen goedkoop, licht en flexibel, maar qua efficiëntie blijven ze met zo’n tien procent vooralsnog achter bij commerciële siliciumzonnecellen, die tussen de vijftien en twintig procent halen.

Toeval

Ongeveer tien jaar geleden ontdekten wetenschappers per toeval dat de efficiëntie van een plastic zonnecel met een factor twee tot drie omhoog gaat als je tijdens het productieproces een tweede oplosmiddel toevoegt. “Tegenwoordig gebruikt men deze middelen in alle plastic zonnecellen”, zegt hoogleraar fysische organische chemie René Janssen van de TU Eindhoven. “Maar niemand wist precies waarom ze zo’n gunstig effect hebben op de efficiëntie.”

Deze infographic toont welk effect het extra oplosmiddel heeft op de in de tekst genoemde oplossing van twee plastic componenten (een polymeer en een fullereen) tijdens de productie van een plastic zonnecel. Zonder het extra oplosmiddel vormen zich druppels van fullereenmoleculen die de werking van de zonnecel verminderen. Mét het extra oplosmiddel vouwen de polymeermoleculen eerder op en ontstaan deze druppels niet.

TU Eindhoven / Hans van Franeker

Wel wist men dat het iets te maken moest hebben met de ‘morfologie’ van de zonnecel, simpel gezegd de precieze structuur van twee gemengde plastic componenten in de cel waartussen elektronen gaan bewegen na inval van het zonlicht. Deze componenten – beide een organisch materiaal – worden tijdens het productieproces in oplossing gebracht, waarna ze door verdamping opdrogen en uitharden. Het mysterieuze extra oplosmiddel wordt altijd voor het verdampen aan de oplossing toegevoegd.

De Eindhovense onderzoekers onder leiding van Janssen gebruikten een combinatie van optische technieken om het effect van het wondermiddel nu voor eens en voor altijd duidelijk te maken. Ze zagen dat als je géén extra oplosmiddel toevoegt er grote druppels blijken te ontstaan tijdens het uitharden van het plastic mengsel. Deze hinderen het elektrontransport – en dus de werking van de zonnecel. “Hoe meer van het extra oplosmiddel in de oplossing zit, des te kleiner die druppels uiteindelijk blijken te zijn, tot ze bij een bepaalde hoeveelheid compleet verdwijnen”, zegt Janssen.

Bakpoeder

Het oplosmiddel werkt ongeveer net zoals bakpoeder.

Wikimedia Commons

Wikimedia Commons

Ook ontdekten ze hoe dat komt. “Bij het uitharden gebeuren twee dingen”, zegt Janssen. “De oplossing verdampt en daarnaast vouwen polymeren in de oplossing op. We zagen dat het extra oplosmiddel ervoor zorgt dat dit opvouwen veel eerder begint, hierdoor kunnen de druppels uiteindelijk niet meer ontstaan.” Het extra oplosmiddel fungeert zodoende als een soort bakpoeder: het maakt de structuur van het mengsel beter, maar met alléén dit middel kun je niet volstaan.

De onderzoekers hopen dat hiermee de ontwikkeling van plastic zonnecellen effectiever wordt. Janssen: “Tot nu toe was de aanpak vooral trial-and-error. Nu kunnen we veel gerichter voorspellen wat wel of niet gaat werken.”