De beste zonnecel haalt een energieconversie-efficiëntie van 28 procent. Deze cellen zijn echter duur en ingewikkeld om te maken. Planten draaien hun hand niet om voor de omzetting van zonne-energie in chemische energie.
Delen
Scheikundige Gerrit Boschloo promoveerde eergisteren op een zonnecel die de natuur nabootst. Hij gebruikte vergelijkbare kleurstoffen voor een nieuw soort zonnecel die goedkoper is en beter scoort bij slecht weer.
Probleem met de conventionele zonnecellen is dat ze te duur zijn voor de energie die ze produceren. Zonne-energie is nog altijd vijf keer duurder dan energie van conventionele energiecentrales. Boschloo: ,,Meestal zie je dan ook alleen zonnepanelen op plaatsen die niet op het elektriciteitsnet aangesloten zijn.”
De meest voorkomende zonnecel wordt gemaakt van silicium. Dit halfgeleidermateriaal is weliswaar ruim voorradig in zand en ander gesteente, maar heeft een dure bewerking nodig om de zuiverheid te verkrijgen die nodig is voor gebruik in zonnecellen. De minder gebruikte, maar wel meest efficiënte GAAS-zonnecellen, zijn nog veel duurder en bevatten bovendien de schaarse en milieubelastende metalen gallium en arseen.
Boschloo: ,,Die 28 procent efficiëntie zit al heel dicht bij het theoretisch haalbare maximum, dat begrensd wordt door de materiaaleigenschappen. Verbetering van zonnecellen betekent vooral goedkopere zonnecellen. Het gebruik van organische stoffen in zonnecellen is een mogelijkheid die onderzocht wordt en daar heb ik aan gewerkt.”
Bladgroen
Boschloo ging uit van het basismateriaal titaandioxide (TiO2). ,,Normaal zou je dit halfgeleidermateriaal nooit gebruiken omdat het alleen het UV-licht kan omzetten in elektrische energie. Maar in combinatie met de kleurstof is de stof wel interessant.”
Een groot voordeel van TiO2 vindt Boschloo dat de stof zeer stabiel is en goedkoop. Het is een industrieel bulkproduct, namelijk de witte kleurstof die bijvoorbeeld in tandpasta en in verf zit. De stof hoeft evenmin zeer zuiver te zijn.
De kleurstof die Boschloo gebruikte is porfyrine, een rode kleurstof die nauw gerelateerd is aan chlorofyl, het bladgroen in planten. In de porfyrine raakt een elektron, net als chlorofyl, door licht in de ‘aangeslagen’ toestand. Dat houdt in dat de stof tijdelijk meer energie heeft. Dat elektron kan weer ’terugvallen’ waarbij de energie vrijkomt als warmte, maar kan ook in het TiO2 geïnjecteerd worden en vervolgens elektriciteit produceren. Dat laatste is gewenst.
Pasta
Boschloo probeerde eerst een zonnecel uit met een enkele laag moleculen porfyrine op een laag TiO2 maar kwam tot de conclusie dat er dan slechts één procent van het opvallende licht geabsorbeerd werd. Het bleek veel beter te zijn om het TiO2-oppervlak te vergroten door uit te gaan van halfgeleiderkorrels waaraan de rode kleurstof kan hechten. Zo vindt er meer overdracht van energie plaats van de kleurstof naar de halfgeleider.
,,Het leuke hiervan is dat zo’n zonnecel redelijk eenvoudig te maken is. Je neemt wat TiO2-poeder. Dat maal je fijn zodat je echt losse korrels hebt. Met water en stabilisator maak je er een pasta van die uitgesmeerd wordt op een substraat. Dat substraat is een stukje geleidend glas, dat tevens één van de twee elektrodes is. Het geheel wordt bij 450 graden in de oven gebakken en daarna een tijdje in een oplossing met de kleurstof porfyrine gelegd.”
De kleurstof hecht vanzelf op het transparante TiO2 dat een donkerrode kleur krijgt. Vervolgens moet er een druppel elektrolyt tussen (in Boschloo’s geval een oplossing met jood en jodide) voor de elektronenuitwisseling en dan is de cel klaar door de tweede geleidende glaselektrode erop te leggen.
Binnenshuis
,,De beste kleurstoffen die tot nu toe door andere onderzoekers gebruikt zijn, zijn de bruine ruthenium-complexen omdat die een erg breed lichtspectrum kunnen absorberen. De door mij gebruikte porfyrine neemt minder energie op. De reden dat ik toch met porfyrine gewerkt heb, is dat ze op de Landbouwuniversiteit Wageningen al veel ervaring hebben met het manipuleren van de stof, waardoor je het effect van de kleurstofeigenschappen op de stroomopwekking kunt onderzoeken. Het onderzoek ging dan ook meer om het inzicht in de werking van dit soort zonnecellen dan de optimalisering ervan.”
De prestatie van de beste kleurstofcel, die gebruik maakt van rutheniumcomplexen, was in het volle zonlicht tien procent. Dat is minder dan de conventionele siliciumcellen die twintig procent halen. Maar in sombere dagen of binnenshuis laten de siliciumcellen het bijna volledig afweten, terwijl de kleurstofcellen toch nog altijd zo’n tien procent van het aanwezige licht omzetten.
Boschloo weet dat in Zwitserland een andere onderzoeksgroep met de rutheniumcellen al in gesprek is met industriële partners over toepassingen van de cellen in kleine huishoudelijk apparaten. Boschloo vindt het moeilijk om een schatting te maken of en wanneer er een doorbraak zal komen van dit type cellen op grotere schaal. ,,Het grootste probleem is de natte component in de cel, de elektrolytoplossing. Dat maakt goed sealen noodzakelijk. Er wordt nog gezocht naar soortgelijke cellen zonder vloeibare component.”
De beste zonnecel haalt een energieconversie-efficiëntie van 28 procent. Deze cellen zijn echter duur en ingewikkeld om te maken. Planten draaien hun hand niet om voor de omzetting van zonne-energie in chemische energie. Scheikundige Gerrit Boschloo promoveerde eergisteren op een zonnecel die de natuur nabootst. Hij gebruikte vergelijkbare kleurstoffen voor een nieuw soort zonnecel die goedkoper is en beter scoort bij slecht weer.
Probleem met de conventionele zonnecellen is dat ze te duur zijn voor de energie die ze produceren. Zonne-energie is nog altijd vijf keer duurder dan energie van conventionele energiecentrales. Boschloo: ,,Meestal zie je dan ook alleen zonnepanelen op plaatsen die niet op het elektriciteitsnet aangesloten zijn.”
De meest voorkomende zonnecel wordt gemaakt van silicium. Dit halfgeleidermateriaal is weliswaar ruim voorradig in zand en ander gesteente, maar heeft een dure bewerking nodig om de zuiverheid te verkrijgen die nodig is voor gebruik in zonnecellen. De minder gebruikte, maar wel meest efficiënte GAAS-zonnecellen, zijn nog veel duurder en bevatten bovendien de schaarse en milieubelastende metalen gallium en arseen.
Boschloo: ,,Die 28 procent efficiëntie zit al heel dicht bij het theoretisch haalbare maximum, dat begrensd wordt door de materiaaleigenschappen. Verbetering van zonnecellen betekent vooral goedkopere zonnecellen. Het gebruik van organische stoffen in zonnecellen is een mogelijkheid die onderzocht wordt en daar heb ik aan gewerkt.”
Bladgroen
Boschloo ging uit van het basismateriaal titaandioxide (TiO2). ,,Normaal zou je dit halfgeleidermateriaal nooit gebruiken omdat het alleen het UV-licht kan omzetten in elektrische energie. Maar in combinatie met de kleurstof is de stof wel interessant.”
Een groot voordeel van TiO2 vindt Boschloo dat de stof zeer stabiel is en goedkoop. Het is een industrieel bulkproduct, namelijk de witte kleurstof die bijvoorbeeld in tandpasta en in verf zit. De stof hoeft evenmin zeer zuiver te zijn.
De kleurstof die Boschloo gebruikte is porfyrine, een rode kleurstof die nauw gerelateerd is aan chlorofyl, het bladgroen in planten. In de porfyrine raakt een elektron, net als chlorofyl, door licht in de ‘aangeslagen’ toestand. Dat houdt in dat de stof tijdelijk meer energie heeft. Dat elektron kan weer ’terugvallen’ waarbij de energie vrijkomt als warmte, maar kan ook in het TiO2 geïnjecteerd worden en vervolgens elektriciteit produceren. Dat laatste is gewenst.
Pasta
Boschloo probeerde eerst een zonnecel uit met een enkele laag moleculen porfyrine op een laag TiO2 maar kwam tot de conclusie dat er dan slechts één procent van het opvallende licht geabsorbeerd werd. Het bleek veel beter te zijn om het TiO2-oppervlak te vergroten door uit te gaan van halfgeleiderkorrels waaraan de rode kleurstof kan hechten. Zo vindt er meer overdracht van energie plaats van de kleurstof naar de halfgeleider.
,,Het leuke hiervan is dat zo’n zonnecel redelijk eenvoudig te maken is. Je neemt wat TiO2-poeder. Dat maal je fijn zodat je echt losse korrels hebt. Met water en stabilisator maak je er een pasta van die uitgesmeerd wordt op een substraat. Dat substraat is een stukje geleidend glas, dat tevens één van de twee elektrodes is. Het geheel wordt bij 450 graden in de oven gebakken en daarna een tijdje in een oplossing met de kleurstof porfyrine gelegd.”
De kleurstof hecht vanzelf op het transparante TiO2 dat een donkerrode kleur krijgt. Vervolgens moet er een druppel elektrolyt tussen (in Boschloo’s geval een oplossing met jood en jodide) voor de elektronenuitwisseling en dan is de cel klaar door de tweede geleidende glaselektrode erop te leggen.
Binnenshuis
,,De beste kleurstoffen die tot nu toe door andere onderzoekers gebruikt zijn, zijn de bruine ruthenium-complexen omdat die een erg breed lichtspectrum kunnen absorberen. De door mij gebruikte porfyrine neemt minder energie op. De reden dat ik toch met porfyrine gewerkt heb, is dat ze op de Landbouwuniversiteit Wageningen al veel ervaring hebben met het manipuleren van de stof, waardoor je het effect van de kleurstofeigenschappen op de stroomopwekking kunt onderzoeken. Het onderzoek ging dan ook meer om het inzicht in de werking van dit soort zonnecellen dan de optimalisering ervan.”
De prestatie van de beste kleurstofcel, die gebruik maakt van rutheniumcomplexen, was in het volle zonlicht tien procent. Dat is minder dan de conventionele siliciumcellen die twintig procent halen. Maar in sombere dagen of binnenshuis laten de siliciumcellen het bijna volledig afweten, terwijl de kleurstofcellen toch nog altijd zo’n tien procent van het aanwezige licht omzetten.
Boschloo weet dat in Zwitserland een andere onderzoeksgroep met de rutheniumcellen al in gesprek is met industriële partners over toepassingen van de cellen in kleine huishoudelijk apparaten. Boschloo vindt het moeilijk om een schatting te maken of en wanneer er een doorbraak zal komen van dit type cellen op grotere schaal. ,,Het grootste probleem is de natte component in de cel, de elektrolytoplossing. Dat maakt goed sealen noodzakelijk. Er wordt nog gezocht naar soortgelijke cellen zonder vloeibare component.”
Comments are closed.