Stroom uit een kunstblad; Organische zonnecel: laag rendement, zeer goedkoop

Een organische zonnecel, gemaakt door de Zwitser Michael Gratzel zet zonlicht om in elektriciteit met een rendement van ruim twaalf procent. Niet echt om van achterover te vallen. Zeker niet als je bedenkt, dat het wereldrecord op dit moment in handen is van vliegtuigfabrikant Boeing met een zonnecel die een rendement heeft van ruim 35%. Het grote voordeel van de organische zonnecel, of het "kunstmatige blad', zoals hij inmiddels is gedoopt, is echter dat hij goedkoop is en gemakkelijk te maken. Gratzel: "Onze ambitie is een zonnecel die je in de keuken kunt maken'.

Gratzel werkt aan Ecole polytechnique federale de Lausanne. Inmiddels hebben Asea Brown Boveri en het chemiebedrijf Sandoz geld gestoken in de verdere ontwikkeling van de cel. Eind dit jaar moet al het eerste produkt op de markt verschijnen, dat de zonnecel bevat. Het is, hoe zou het ook iets anders kunnen zijn in Zwitserland, een horloge.

Een conventionele zonnecel bestaat grofweg uit twee lagen halfgeleidermateriaal. De ene laag is zodanig behandeld dat hij een overmaat aan elektronen bevat. Dat is de n-laag, waarbij n staat voor negatief. De andere laag bevat een overmaat aan positief geladen "gaten', de p-laag. Wanneer beide lagen met elkaar in contact staan ontstaat een elektrisch veld op de p-n-overgang.

Het principe van de foto-voltaïsche omzetting is gebaseerd op het feit dat licht met de juiste golflengte zoveel energie heeft, dat het een elektron uit zijn baan kan schieten (exciteren). Daardoor ontstaan een negatieve lading, in casu een "vrij' elektron en een positieve lading, het "gat'. Normaliter valt het elektron weer terug in zijn baan (het gat) onder afgifte van warmte. Als elektron en gat echter ontstaan in de buurt van de p-n-overgang, dwingt het elektrisch veld de negatief geladen elektronen naar het n-gebied en de positief geladen gaten naar het p-gebied. De aldus ontstane ladingsscheiding leidt ertoe, dat er een stroompje gaat lopen waar je een fietslampje op kunt laten branden. De potentiaalverschillen van een zonnecel van 10 bij 10 centimeter liggen in de orde van een halve volt. De stroomsterkte kan zo'n 2 ampère bedragen.

Het grote nadeel van de huidige generatie zonnecellen zijn de kosten per opgewekte watt. Bij zonnecellen gemaakt van kristallijn silicium, bedragen die ongeveer het tienvoudige van de watts die gewoon uit het stopcontact komen. Vandaar dat onderzoekers naarstig naar wegen zoek om de kosten te verlagen. Dat kan op twee manieren. De ene manier is door te proberen om het rendement van zonnecellen verder te verhogen dan de veertien tot zestien procent, die je met kristallijn silicium kunt halen. De andere manier is om goedkopere zonnecellen te maken door de zogeheten module-kosten (de kosten van een paneel, inclusief plaatsing) te verlagen.

Exotische materialen

De eerste route, rendementsverhoging, gebeurt door zonnecellen te maken van exotische materialen, zoals gallium-arsenide, tellurium, indium en germanium. Bij gebruik van dergelijke materialen zijn de kosten van een zonne-paneel van een vierkante meter vergelijkbaar met die van silicium, namelijk zo'n 600 à 700 gulden. Echter het rendement zou flink wat groter zijn, er worden getallen genoemd van veertig procent. Daardoor zouden de kosten per geleverde watt kunnen dalen naar zo'n een à anderhalve dollar per watt. Nog ruimschoots meer dan een watt afkomstig van een kolen- of aardgascentrale, maar de pleitbezorgers van zonne-energie verwachtende komende decennia een gestage toename van de prijs van elektriciteit opgewekt met conventionele methoden.

De andere route naar goedkopere elektriciteit uit zonne-energie is het drukken van de module-kosten. Daarvoor kijkt men al enige tijd naar amorf silicium, een veel goedkoper materiaal dan kristallijn silicium. Het rendement van amorf silicium is vrij laag. De Universiteit Utrecht is op dit moment houder van het Europese record met een rendement van 11,4% op een oppervlak van eentiende vierkante centimeter. Het wereldrecord bedraagt 13,2% en is in handen van het Japanse bedrijf Mitsui.

Tegenover dat lage rendement staat het feit dat zonne-cellen van amorf silicium vrij gemakkelijk zijn te maken. Dat vertaalt zich ook in de (geschatte) prijs van eveneens zo'n anderhalve dollar per watt.

De organische zonnecel werkt volgens het principe van het groene blad en zou daardoor nog goedkoper kunnen worden. De zonnecel van Gratzel bestaat uit een laag halfgeleidend titaandioxide, dat als pasta wordt aangebracht op een glasplaatje. Geen gewoon glas, maar geleidend glas waar een heel dun metaallaagje op is aangebracht. Op de video, die Gratzel laat zien, lijkt het inderdaad een procédé dat je zo in de keuken kunt doen. De pasta wordt verspreid met een ander stukje glas en het zaakje wordt bij elkaar gehouden met plakband. Het geheel wordt in een organische kleurstof gedompeld en vervolgens wordt er een wederom geleidend glasplaatje opgelegd. De holte tussen de beide glasplaatjes wordt gevuld met een dun laagje van een elektrolyt, een waterige oplossing van twee- en driewaardig jodium.

De kleurstof moet de fotonen vangen en omzetten in elektronen; het laagje titaandioxide zorgt voor het transport van de lading. Op die manier voorkom je, aldus Gratzel, het voortijdig samenkomen van elektronen en gaten. Titaandioxide is een n-type halfgeleider; ook de kleurstof produceert negatief geladen elektronen. Met andere worden, in de halfgeleiderlaag zijn er geen "gaten' meer aanwezig, zodat er ook geen voortijdige recombinatie op kan treden. De kleurstof verliest wel elektronen, maar die worden weer aangevuld uit de waterige oplossing met twee- en driewaardig jodium.

Daarmee omzeilt Gratzel het grote probleem, dat optreedt bij silicium en andere anorganische materialen, namelijk dat elektronen en "gaten' voor het grootste deel weer bij elkaar komen (recombineren) voordat de scheiding door de p-n overgang is bestendigd.

Bladgroen

Bij de ontwikkeling van de organische zonnecel is Gratzel op heel wat problemen gestuit. Zo zal een dunne laag (een molecuul dik) normaliter slechts een tot twee procent van de hoeveelheid opvallend licht omzetten in elektronen. Veel te weinig om efficiënt te zijn.

Om dat probleem op te lossen, zo vertelt Gratzel, is hij weer naar het blad gaan kijken. Het bladgroen in blad is gestapeld in thylakoiden, als gevolg daarvan ontmoet een lichtstraal die door het blad heengaat vele lagen chlorofyl. Om een vergelijkbaar effect te bereiken, gebruiken Gratzel en zijn medewerkers titaandioxide dat uit zeer veel kleine deeltjes - in de orde van nanometers - bestaat. Het gevolg is dat het totale oppervlak met een factor 1000 wordt vergroot. Licht dat op het glasplaatje valt komt dus vele malen een kleurstofmolecuul tegen, waardoor het omzettingsrendement drastisch is verhoogd.

Een ander probleem is dat organische kleurstoffen vaak niet stabiel zijn. Mede omdat er voortdurend elektronen verdwijnen en weer bijkomen, zou de werking ervan snel achteruitgaan.

Volgens Gratzel hebben ze dat probleem nu grotendeels onder de knie. Op basis van recente experimenten denkt hij een kleurstof te hebben ontwikkeld, die niet alleen stabiel is, maar waarvan de werking bij langdurig gebruik zelfs verbetert. Het gaat om een rutheniumcomplex, een moleculaire kerstboom, die niet alleen ruthenium maar ook een tweetal zesringen en twee zwavelcyanide-groepen bevat. Het molecuul is zo ingewikkeld omdat het verschillende functies moet vervullen. Het moet niet alleen het lichtgevoelige ruthenium vasthaken aan de korreltjes titaandioxide, maar moet bovendien zorgen voor de overdracht van elektronen van ruthenium naar titaandioxide.

Het rutheniumcomplex is vooral gevoelig voor licht van 600 nm. Het omzettingsrendement bedraagt bij die golflengte zo'n 90%. Momenteel onderzoekt Gratzel de mogelijkheden om het omzettingsrendement bij langere golflengten te verbeteren.

Het lijkt erop, dat de organische zonnecel die in Zwitserland is ontwikkeld behoorlijke perspectieven biedt. Het rendement is gestaag verhoogd. In 1987 toen Gratzel begon, was het nog een magere een procent. Aan het eind van vorig jaar was het rendement al 12,4%, vooral dankzij de betere kleurstoffen. De kostprijs van de geleverde elektriciteit ligt onder de zestig dollarcent per watt geïnstalleerd vermogen. Gratzel verwacht dat de prijs van de organische zonnecel kan dalen tot eenvijfde van die van bestaande polykristallijne zonnecellen. Daarmee heeft de organische zonnecel het in zich om een doorbraak te forceren. Misschien dat daardoor de zonne-energie eindelijk een serieus alternatief kan worden.