Puzzelen met pigmenten maakt zonnecel efficiënter

Een rangschikking van lichtabsorberende kleurstoffen die is geïnspireerd op de ordening van bladgroen (chlorofyl) in planten en bacteriën kan helpen bij het ontwerp van efficiënte en goedkope zonnecellen. Dat heeft scheikundig ingenieur Annemarie Huijser aangetoond in onderzoek waarop zij afgelopen dinsdag is gepromoveerd bij prof. Laurens Siebbeles aan de TU Delft.

Huijser experimenteerde met artificiële porfyrines, platte vierkante moleculen van koolstof en stikstof met eventueel een metaalatoom in het centrum. Ze lijken op natuurlijk chlorofyl. Door de porfyrines te voorzien van specifieke zijgroepen ontstonden bouwstenen die zichzelf rangschikten als koekjes uitgespreid op een tafel of als gekantelde damstenen (zelfassemblage). Zo lukte het om in de porfyrine-kleurstof excitonen door te geven over maximaal 20 nanometer, een afstand die ook in planten en lichtgevoelige bacteriën wordt gehaald.

Een exciton, legt Huijser uit, is voor te stellen als een combinatie van een gat en een elektron. Het ontstaat in een plant als licht wordt geabsorbeerd door chlorofyl of een ander pigment. Een elektron in het pigment wordt dan geëxciteerd. Het krijgt een hogere energie en laat de toestand met een lagere energiewaarde achter: het gat. Uiteindelijk wordt het elektron in een reactiecentrum van het gat gescheiden en in een zogeheten elektrontransportketen gebruikt om plantenbrandstof te maken. Voordat het zover is moet het exciton doorgegeven worden van het ene pigment molecuul naar het volgende.

Ook in conventionele zonnecellen ontstaan onder invloed van zonlicht gaten en corresponderende elektronen. Die worden daarin als het ware uit elkaar getrokken door ladingsverschillen in de cel. Het bekendste voorbeeld van een zonnecel waarin de werkwijze van planten enigszins wordt nagebootst is de Grätzelcel, vernoemd naar prof. Michael Grätzel. Deze cel bestaat uit minuscule deeltjes titaniumdioxide met een pigmentcoating in een elektrolyt. Titaniumdioxide is goedkoper dan silicium, omdat het niet zo zuiver hoeft te zijn.

In de pigmentcoating worden de elektronen geëxciteerd en daarna hoeven ze niet meer dan een nanometer af te leggen naar het titaniumdioxide binnenin. Het titaniumdioxide vormt een aaneengesloten keten waarlangs elektronen worden afgevoerd naar een elektrode (tekening links). Door de rangschikking van het titaniumdioxide verloopt dit proces echter moeilijk. Verder belemmert de giftige vloeibare elektrolyt eromheen commercialisering.

Omdat Huijser de excitonen over 20 nanometer laat diffunderen zou zij een zonnecel kunnen maken die werkt als de Grätzelcel, maar die bestaat uit twee lagen vaste stof (tekening rechts). De efficiëntie van een dergelijke zonnecel zou op termijn op tien procent kunnen uitkomen.

Michiel van Nieuwstadt

    • Michiel van Nieuwstadt