De polymeermoleculen (groen) leveren de elektronen, de fullerenen (de voetballen) bewaren ze) (afb: univ. van Californië)
Het lijkt op de ideale zonnecel, de organische zonnecel die onderzoekers van de universiteit van Californië in Los Angeles hebben beproefd. Met behulp van licht wordt niet alleen elektrische energie uit het celmateriaal (een polymeer en fullereen) ‘geslagen’, maar die energie wordt ook opgeslagen: generator en accu in een. Die energie zou daar, zonder noemenswaardig verlies, weken in kunnen worden opgeslagen. Op het ogenblik moet je de elektrische energie uit zonnecellen direct gebruiken, opslaan in aparte accu’s of terugleveren aan het stroomnet. Nu nog van dat materiaal nog een echt werkende zonnecel maken.
De natuur weet wel hoe je zonlicht omzet in andersoortige energie. Volgens onderzoekster Sarah Tolbert doet de natuur dat met een hoog rendement, maar daar valt wel wat op af te dingen. “In de fotosynthese gebruiken de planten de energie uit licht om elektronen te scheiden van de moleculen, die daardoor positief worden. Die scheiding maakt dat proces zo efficiënt.” Heel veel verder dan 1% rendement komt de fotosynthese niet, terwijl een siliciumcel al gauw 10% en meer haalt.” Siliciumcellen doen dat dus heel aardig, maar silicium maken voor zonnecellen is duur. Vandaar de zoektocht naar kunststofzonnecellen. Die hebben echter een laag rendement, vooral ook doordat de scheiding tussen elektronen en de rest van de moleculen niet erg stabiel is. Tolbert: “Kunststofzonnecellen hebben geen mooie structuren zoals planten, omdat we die niet konden maken, maar met dit systeem worden de ladingen uit elkaar gehaald en dat kan dagen zo niet weken zo blijven. Dat kan als je eenmaal de goede structuur hebt.” De basisingrediënten voor de kunststofzonnecel zijn een polymeer en een fullereen, de op een voetbal lijkende koolstofverbinding C60. Het polymeer levert de elektronen onder invloed van het (zon)licht, de fullereenmoleculen nemen die liefdevol op. Normaal krijg je dan een spaghetti van lange polymeerketens met daartussen balletjes fullereen. Dat werkt natuurlijk niet en de Californische onderzoekers hebben de structuur wat gefatsoeneerd, zoals je kunt doen met ongekookte spaghetti en gehaktballetjes daar netjes op gedrapeerd worden. Sommige ‘balletjes’ zitten tussen de bundels, andere aan de buitenkant. Daarbij hebben de onderzoekers gebruik gemaakt van het fenomeen zelfassemblage, waarbij moleculen zich ‘als vanzelf’ schikken in geordende structuren. De fullerenen in de spaghetti nemen de elektronen op van de polymeerketens en leveren die aan de ‘buitenfullereenmoleculen’, die goed in staat zijn de elektronen vast te houden. “Als de ladingen niet bij elkaar komen, dan kun je ze natuurlijk langer gescheiden houden”, zegt onderzoeker Benjamin Schwartz. “Dit is de eerste keer dat dat is aangetoond bij synthetische organische fotovoltaïsche materialen.” Het materiaal is ook milieuvriendelijker dan de concurrente organische systemen, omdat de zelfassemblage zich in water voordoet en daarvoor geen giftige organische oplosmiddelen nodig zijn, zeggen de onderzoekers. Schwartz: “Je gooit de materialen in het water en ze vormen vanzelf de juiste structuur, omdat we dat zo hebben ontworpen. Je hoeft niks extra’s te doen.” De onderzoekers zijn bezig de techniek in te passen in bestaande zonnecelsystemen, maar daarvoor moeten ze nog een, niet onbelangrijke, horde nemen. Ze zijn nog niet zo ver dat ze een echte, werkende zonnecel hebben. Dat is dan de eerstvolgende taak.
Bron: Science Daily