Technische Universiteit Delft

Essentieel proces in goedkope zonnecel sterk verbeterd

Een goedkoop alternatief voor silicium zonnecellen is de zogenoemde 'dye-sensitized' zonnecel. In deze cel wordt de natuurlijke omzetting van zonlicht in energie door bijvoorbeeld planten en lichtgevoelige bacteriën nagebootst. Annemarie Huijser wist een essentieel proces in dit type zonnecel, verwant aan de Grätzel-cel, sterk te verbeteren. Huijser promoveert op dinsdag 25 maart op dit onderwerp aan de TU Delft.

De opmars van zonnecellen verloopt nog moeizaam. Een van de redenen is dat het meest gebruikte type zonnecel, van silicium, vrij duur is om te maken. De laatste jaren is er daarom veel onderzoek gaande naar alternatieve zonnecellen. Daarbij halen wetenschappers inspiratie uit de natuur. Planten kunnen de opgenomen zonne-energie over lange afstand, typisch over zo'n 15-20 nanometer, transporteren naar een plaats waar deze wordt omgezet in chemische energie. Dit komt doordat de chlorofylmoleculen in hun bladeren optimaal gerangschikt zijn. In haar promotieonderzoek probeerde Annemarie Huijser het proces dat zich in planten afspeelt, deels na te bootsen in zonnecellen. Ze richtte zich op de zogenoemde 'dye-sensitized' zonnecel (ofwel kleurstofgesensibiliseerde zonnecel). Hij bestaat uit een halfgeleider, zoals titaandioxide, bedekt met een laagje kleurstof. De kleurstof absorbeert energie uit zonlicht, waardoor zogenoemde excitonen ontstaan. Deze energiepakketjes moeten vervolgens naar de halfgeleider bewegen. Als ze daar zijn aangekomen, zorgen ze voor een elektrische stroom.

Lego
Huijser: 'Je kunt de kleurstofmoleculen vergelijken met legoblokjes. Ik varieer de stapeling van de blokjes en bekijk hoe dit het excitontransport door de zonnecel beïnvloedt. Excitonen moeten zo vrijelijk mogelijk door de zonnecel bewegen om efficiënt elektriciteit op te wekken.' Door onderzoek te doen naar de beste rangschikking van de kleurstofmoleculen, wist Huijser de lengte die excitonen gemiddeld afleggen in de zonnecel zo'n twintig maal langer te maken tot een afstand van ongeveer 20 nanometer, vergelijkbaar met systemen uit de natuur. Hierdoor kan de efficiëntie van de cel sterk verbeterd worden. Om dit nieuwe type zonnecel echt commercieel interessant te maken, moet de beweeglijkheid van de excitonen volgens Huijser nog met ongeveer een factor drie omhoog. Dat is volgens de Delftse promovenda zeker mogelijk. 'Daarna staat niets de verdere ontwikkeling van dit type zonnecel in de weg.'

Grätzel-cel
De zonnecel waar Huijser zich mee beziggehouden heeft, is nauw verwant aan de wat bekendere Grätzel-cel. Bij de Grätzel-cel zitten kleurstof en halfgeleider echter heel dicht op elkaar, ze zijn als het ware gemengd. Daardoor hoeft de beweeglijkheid van de excitonen niet zo hoog te liggen. Een nadeel van dit soort cel is echter het gecompliceerdere ladingstransport. Huijser koos daarom met dit eenvoudige tweelaags-systeem van kleurstof en halfgeleider voor een andere aanpak.