Plastic zonnecellen hebben een paar belangrijke voordelen boven gewone zonnecellen van silicium. Ze zijn goedkoop te maken uit eenvoudige grondstoffen en bovendien licht en flexibel. Je kunt ze dus verwerken in bijvoorbeeld kleding of rugzakken.
Maar de energieopbrengst is niet zo geweldig. De bekende silicium zonnepanelen die op steeds meer Nederlandse daken prijken, zetten zo’n vijftien tot twintig procent van het zonlicht in energie om. Plastic zonnecellen halen de tien procent nog niet eens.
Minderwaardigheidsgevoel
“Er heerst een soort minderwaardigheidsgevoel onder wetenschappers die aan plastic zonnecellen werken”, zegt de Groningse hoogleraar prof.dr. Kees Hummelen, een van de pioniers van de plastic zonnecel. “Ze denken dat hun zonnecellen nooit zo goed worden als die van silicium.”
Volgens de common sense is een rendement van veertien procent voor kunststof zonnecellen het hoogst haalbare. Maar Hummelen laat zich niet beperken door de huidige stand van zaken. Daarom kan hij in Advanced Energy Materials veel optimistischer cijfers presenteren.
Samen met zijn collega dr. Jan Anton Koster, die in 2007 promoveerde op een natuurkundig model van plastic zonnecellen, bekeek Hummelen aan welke voorwaarden nieuwe materialen voor plastic zonnecellen precies moeten voldoen om zonlicht optimaal te benutten. Ook professor Sean Saheen van de Universiteit van Denver (Verenigde Staten) werkte mee aan het onderzoek.
De berekeningen van het drietal laten zien dat een plastic zonnecel met een rendement van meer dan twintig procent goed mogelijk is. “Het betekent dat ze zelfs beter kunnen worden dan silicium zonnecellen”, stelt Hummelen. Hij wijst op een schoudertas met een plastic zonnecel zo groot als een A4-tje. “Daar kan je nu net je iPod mee opladen. Met de Next Generation plastic zonnecellen moet je laptop erop kunnen lopen.”
Ingeving
Hoogleraar Hummelen kreeg twee jaar geleden een ingeving die leidde tot verkennend theoretisch onderzoek naar de mogelijkheden van plastic zonnecellen. “Traditioneel maken onderzoekers in dit veld hun zonnecellen met apolaire verbindingen”, legt Hummelen uit. Apolaire verbindingen zijn ‘olieachtige’ stoffen, waarin geleidende deeltjes zoals ionen slecht oplossen. Ze kunnen elektrische lading maar moeilijk verwerken. En dat laatste is precies wat een zonnecel wél goed zou moeten doen: de door het zonlicht geproduceerde elektriciteit moet immers netjes naar buiten worden geleid.
Samen met zijn collega’s bekeek Hummelen wat er zou gebeuren als polaire of polariseerbare moleculen het zonlicht zouden opvangen. Die moleculen zijn als geheel ongeladen, maar hebben wel een plus- en een minzijde (of ze kunnen die gemakkelijk tijdelijk vormen). Het materiaal krijgt zodoende een relatief hoge diëlektrische constante, het is beter polariseerbaar.
Met behulp van een computermodel hebben de onderzoekers nu uitgerekend dat toepassing van de polaire of polariseerbare materialen de efficiëntie van de zonnecellen inderdaad flink kan opschroeven. Maar in een computermodel is veel mogelijk. Met welke materialen de New Generation zonnecellen de hoge efficiëntie in de praktijk kunnen waarmaken, dat is nog niet bekend. Hummelen werkt er hard aan. “Maar het is een enorme zoektocht. Daarom hebben we dit nu gepubliceerd, zodat zoveel mogelijk andere onderzoeksgroepen kunnen meezoeken.”
RTV Noord interviewde Kees Hummelen bij de start van het onderzoek naar de New Generation zonnecellen. Hummelen: “In tien jaar moet je wel een substantiële verbetering kunnen beloven, anders heb je geen goed plan.”
Energieverlies minimaliseren
Het artikel in Advanced Energy Materials neemt nog een aantal andere aspecten van de New Generation plastic zonnecellen onder de loep. De onderzoekers keken onder andere naar de kleur en naar de manier waarop donor en acceptor samenwerken. In een zonnecel ontstaat stroom doordat een lichtdeeltje (foton) een elektron in het donormateriaal extra energie geeft. Daarna kan het overspringen naar een acceptor, die daarmee een negatieve lading krijgt.
Hummelen: “De sprong die zo’n elektron maakt kost energie. Door donor en acceptor optimaal op elkaar af te stemmen, kun je het energieverlies minimaliseren. In ons artikel laten we zien wat de gevolgen hiervan zijn voor de efficiëntie.”
Daarnaast veranderen sommige moleculen van vorm wanneer ze een elektron opnemen of afstaan. “Dat kost ook energie, die in de vorm van warmte verloren gaat. Terwijl je wilt dat de cel zoveel mogelijk stroom produceert”, zegt Hummelen. Ook hierbij is berekend hoe groot de vormverandering mag zijn om niet te veel efficiëntie te verliezen.
Bron:
- Persbericht FOM: Doorbraak voor plastic zonnecellen
- Publicatie: ‘Pathways to a new efficiency regime for organic solar cells’, L.J.A. Koster, S.E. Shaheen and J.C. Hummelen, Advanced Energy Materials, DOI: 10.1002/aenm.201200103.
Lees meer op Kennislink over zonnecellen:
Oeps: Onbekende tag `feed’ met attributen {"url"=>"https://www.nemokennislink.nl/kernwoorden/zonnecel/zonnecellen/index.atom?m=of", “max”=>"10", “detail”=>"minder"}