Een zonnecel voor het raam

Het verkeert nog in een vroege ontwerpfase: organische zonnecellen die, onzichtbaar op glas geplakt, elektriciteit kunnen opwekken.

Onderzoekers van de Landbouwuniversiteit, de TU Delft en de Universiteit Utrecht hebben een ontwerp bedacht voor een organische zonnecel. Het idee is afgekeken van de fotosynthese van de groene plant, waarbij zonlicht wordt omgezet in energie. In het Chemisch Magazine van oktober 1995 beschrijft dr. Jacques Kimman, programmamanager zonne-energie van de Nederlandse Onderneming voor Energie en Milieu (Novem) de jongste ontwikkelingen. 'Het is risicovol onderzoek', zegt Kimman desgevraagd. 'Je weet natuurlijk niet of je toch nog tegen een bottleneck aanloopt. Maar de potentie is enorm! Ik ben er zelf heel enthousiast over.'

Volgens de Novem-expert zullen zonnecellen de komende jaren een steeds belangrijker rol spelen bij de energievoorziening. De technologie is beschikbaar, en voor sommige toepassingen nu al rendabel. Als je alle zuidkanten van de daken in Nederland met zonnecollectoren zou uitrusten zou je in de complete nationale elektriciteitsbehoefte kunnen voorzien. Alleen is dat achtmaal zo duur als met conventionele methoden. Maar in tien jaar tijd is de prijs al gehalveerd en volgens Kimman kan die nog veel verder omlaag.

Het potentieel rendement van de organische zonnecel is ongeveer even hoog als van zonnecellen van multikristallijn silicium - die je op daken ziet - gemiddeld zo'n 15 procent. In de praktijk zitten de organische zonnecellen nu op een rendement van ongeveer 10 procent. Kimman: 'Groot voordeel is dat organische zonnecellen vermoedelijk goedkoper te produceren zijn. Bovendien kan men, net als in de groene plant, allerlei kleurstoffen gebruiken om de lichtgevoeligheid af te stemmen op het spectrum van de zon. We denken zelfs aan infrarood gevoelige kleurstoffen, die de rest van het lichtspectrum doorlaten. Zulke zonnecellen zou je onzichtbaar op de ruiten kunnen plakken. In Japan is men erg gecharmeerd van dit idee, daar is nu ook een onderzoeksgroep actief.'

Het principe van de zonnecel is tamelijk eenvoudig. In een gewone zonnecel bevinden zich twee lagen, waarvan de een positief (p) en de ander negatief (n) geladen is. Een zonnecel kan bijvoorbeeld worden opgebouwd door een grenslaag (de p/n overgang) aan te brengen in silicium. Aan de ene kant wordt het silicium vervuild met een stof waarvan de atomen een elektron méér hebben dan silicium (bijvoorbeeld fosfor) als n-laag. Aan de andere kant wordt het silicium vervuild met een stof, waarvan de atomen een elektron minder hebben (zoals borium of aluminium, de p-laag.)

Valt er zonlicht op de cel, dan wordt een deel van de lichtdeeltjes of fotonen door het materiaal geabsorbeerd. De fotonen bezitten genoeg energie om elektronen uit de n-laag vrij te maken. Deze elektronen worden bij de p/n overgang een bepaalde richting opgestuurd, net zoals een flipperballetje in een flippperkast almaar rond kan springen van gat naar gat, maar pas door contact met de flipper zijn richting krijgt. In de fysica verstaat men onder een 'gat' een plek waar een elektron ontbreekt: springt het elektron de ene kant uit dan gaat het 'gat' een andere kant op. Als de zonnecel wordt aangesloten op een elektrisch circuit, gaat er een stroompje lopen.

De eerste organische zonnecel met een fatsoenlijk rendement werd in 1992 in Nature beschreven door de Zwitser M. Grätzel, hoogleraar in Lausanne. In principe hebben organische zonnecellen een vrij laag rendement, maar de Grätzel-zonnecel compenseert dat door gebruik te maken van het principe van oppervlaktevergroting. Hiertoe brengt men een speciale kleurstof aan op microscopisch kleine titaanoxydebolletjes (TiO), die aan elkaar gesinterd zijn. Na absorptie van een foton injecteert het aangeslagen molecuul een elektron in het TiO. Een redoxelektroliet zorgt er vervolgens voor, dat het geoxydeerde kleurstofmolecuul weer in de oorspronkelijke staat terugkeert.

'Het is een mooi, simpel ontwerp', vindt Novem-medewerker Kimman. 'Grätzel maakt die dingen aan de keukentafel klaar waar je bij staat, dat heb ik hem zien doen. Hij heeft aangekondigd volgend jaar met een horloge te komen, dat zijn energie ontleent aan doorzichtige zonnecellen in het glas of op de wijzerplaat.'

Bezwaren

Maar hoe ingenieus het ook klinkt, er kleven ook bezwaren aan de Grätzel-cel. Om te beginnen gaat het om een natte cel, de titaanoxydebolletjes bevinden zich in een vloeistof (de elektroliet, die de stroom geleidt). Dat is in de praktijk niet zo handig. Een goede zonnecel behoort 20 tot 30 jaar mee te gaan, maar dat haalt dit model nog lang niet. Als tweede bezwaar noemt Kimman, dat deze organische zonnecel bij veel licht lichtverzadigd raakt. 'Het is enerzijds wel mooi, dat het systeem al bij weinig licht kan werken, ook bijvoorbeeld in de badkamer. Maar zo'n zonnecel kun je dus niet in de woestijn neerzetten. Dan zie je de zonnecel verouderen en achteruitgaan. De siliciumcel doet het juist beter bij fel zonlicht.'

Een derde probleem is de reproduceerbaarheid van de Grätzelcel. 'Als je 100 van die zonnecellen maakt, is er maar één goeie bij, die een behoorlijk rendement heeft', aldus Kimman. 'Om de zaak te optimaliseren, moeten we eerst zien uit te zoeken hoe het precies werkt, want dat weten we nog niet eens.' Binnen vier jaar moet het zonne-energieproject duidelijkheid bieden over de vraag of hier toekomstmuziek in zit. Bij het verbeteren van het ontwerp hebben de Nederlandse onderzoekers zich laten inspireren door de fotosynthese van de groene plant. In plaats van een vloeistof als elektrolyt gebruikt men, net zoals bij planten het bladgroen, een vaste antennelaag. Onderzoekers van de TU Delft houden zich bezig met het verbeteren van de technieken voor het opdampen van de titaanoxyde en met de sintermethode. De dunne laagjes moeten heel zuiver worden opgedampt, waarbij men secuur moet werken. De Universiteit Utrecht beschikt over know how van het karakteriseren van zonnecellen als systeem. Aan de Landbouwuniversiteit werkt de vakgroep moleculaire fysica aan de vraag welke moleculen men het beste kan inzetten, terwijl de vakgroep organische chemie zich over de synthese en het aanbrengen van de kleurstoffen buigt.

De eerste proefcel is onlangs gemaakt en het Energie Centrum Nederland gaat hieraan de fotostabiliteit meten. Uit de fotocopier-industrie is bekend, dat sommige kleurstoffen veel stabieler zijn dan andere. De Zwitserse onderzoeker Grätzel gebruikt in zijn kleurstof een metaalcomplex (ruthenium bipyridil) en betoogt dat de aanwezigheid van ruthenium de stabiliteit van het molecuul verhoogt. Onder zwakke lichtomstandigheden blijkt deze zonnecel al twee jaar prima te werken, maar bij fel licht is de kleurstof binnen een maand afgebroken. Om de organische zonnecellen in ramen in te bouwen moet men wel op een behoorlijke levensduur kunnen vertrouwen. Ze worden dan binnen het dubbele glas aangebracht. Je kunt de ramen gewoon blijven lappen.

    • Marion de Boo