Plastic zonnecellen: twee ultrasnelle processen die in harmonie stroom produceren

Onderzoek van een team geleid door prof.dr.ir. Paul van Loosdrecht en prof.dr. Kees Hummelen van het Zernike Institute for Advanced Materials van de Rijksuniversiteit Groningen laat zien hoe harmonieus twee processen in plastic zonnecellen samenwerken om elektriciteit te produceren. Het onderzoek was afgelopen week de coverstory van Advanced Functional Materials, een Amerikaans wetenschappelijk vakblad.

Plastic zonnecellen bestaan uit een mengsel van twee componenten: buckyballen (voetbalvormige C₆₀ of rugbybalvormige C₇₀ moleculen) en een polymeer dat stroom kan geleiden. Van het polymeer was al bekend dat na absorptie van licht het in de extreem korte tijd van 30 femtoseconden (een milioenste van een miljardste van een seconde) een elektron afgeeft aan de buckyballen, hetgeen uiteindelijk leidt tot de generatie van elektriciteit.

Het Groningse onderzoeksteam er nu in geslaagd om vast te stellen dat na absorptie van licht door de buckyballen het spiegelbeeld van dit proces plaatsvindt, dat wil zeggen: het springen van een positief geladen gat van de buckybal naar het polymeer. Bovendien blijkt dit spiegelbeeldproces net zo ultrasnel.

De metingen van de snelheid van ladingsoverdracht tussen de beide typen moleculen werden verricht met behulp van speciale op laser gebaseerde technieken, legt Van Loosdrecht, hoogleraar experimentele natuurkunde, uit. Hierbij wordt gebruik gemaakt van twee extreem korte lichtpulsen die vlak na elkaar op het zonnecelmateriaal vallen.

De eerste puls wordt door ofwel het polymeer ofwel de buckybal geabsorbeerd, afhankelijk van de kleur van het licht. Met de tweede puls wordt gekeken hoe lang het duurt voor er lading in het materiaal materiaal aanwezing is. Van Loosdrecht: 'Tot onze verbazing vonden wij dat die snelheid in beide gevallen nagenoeg gelijk is, hetgeen betekent dat beide processen even efficient zijn in het genereren van elektriciteit.'

De metingen van de snelheid van ladingopbouw werden door de onderzoekers gecombineerd met beelden van verschillende mengsels die waren gemaakt met een atomomaire-kracht microscoop. Dat onderzoek benadrukt hoe belangrijk de wijze is waarop de twee soorten moleculen met elkaar verweven zijn. Voor een hoog rendement moet er een groot contactoppervlak zijn tussen de beide typen moleculen en moeten zowel de (negatieve) elektronen als de positieve gaten snel en gemakkelijk hun weg kunnen vinden naar de elektroden.

De grootste uitdaging in de ontwikkeling van plastic zonnecellen is het verbeteren van het rendement. Op het ogenblik is dat nog veel lager dan dat van silicium zonnecellen, die echter veel duurder zijn in de productie. Sinds kort hebben de plastic zonnecellen het niveau van praktische toepasbaarheid bereikt, zegt Kees Hummelen, hoogleraar organische chemie, met gepaste trots. Vorig jaar werd in San Francisco het eerste bushokje geplaatst met een dak met plastic zonnecellen, die duurzame energie vergaren voor een interactieve stadsplattegrond. Hummelen: 'Zonne-energie is de wereld aan veroveren is.'

Noot voor de pers

Meer informatie:
Prof.dr. Kees Hummelen, tel. 050-363 5553, e-mail: j.c.hummelen rug.nl
Prof.dr.ir. Paul van Loosdrecht, tel. 050-363 8149, e-mail: p.h.m.van.loosdrecht rug.nl