Eén molecuul zet bijna al het licht om in elektriciteit

Onderzoekers van de Universiteit van Cambridge hebben iets gerealiseerd wat decennialang onmogelijk werd geacht: een enkel organisch molecuul dat bijna iedere geabsorbeerde lichtdeeltje kan omzetten in elektrische lading. De vondst, beschreven in Nature Materials, kan de manier waarop zonnecellen worden ontworpen ingrijpend veranderen.

In conventionele organische zonnecellen zijn altijd twee materialen nodig: één dat elektronen afgeeft en één dat ze opneemt. Zo ontstaat een grensvlak waar ladingen worden gescheiden — onmisbaar voor het opwekken van stroom. Bij het Cambridge-onderzoek blijkt dat de radicaalmolecuul P3TTM dit proces volledig zelfstandig kan uitvoeren.

“We schrijven een nieuw hoofdstuk in de leerboeken. Organische materialen kunnen nu op zichzelf ladingen genereren”, zegt professor Hugo Bronstein, een van de onderzoekers. De sleutel ligt in de ongepaarde elektronen in P3TTM. Wanneer de moleculen dicht op elkaar zitten, beïnvloeden die elektronen elkaar op een manier die lijkt op het gedrag van zogenoemde Mott-Hubbard-materialen — een fenomeen dat tot nu toe alleen bekend was bij complexe anorganische stoffen. Zodra P3TTM licht absorbeert, springt een elektron spontaan naar een naastgelegen molecuul. Zo ontstaan positieve en negatieve ladingen die direct als elektrische stroom kunnen worden afgetapt.

“Dit is de echte magie”, zegt Biwen Li, hoofdauteur van de studie. “In de meeste organische materialen werken elektronen niet samen met hun buren, maar hier stimuleren ze elkaar juist om te bewegen.”

Bijna volledige ladingsopbrengst

Het onderzoeksteam bouwde een dunne film van P3TTM in een eenvoudige diode-opstelling. Bij belichting bleek de ladingscollectie bijna volledig: nagenoeg elke geabsorbeerde foton leverde een bruikbare lading op. Ter vergelijking: bij gangbare organische zonnecellen gaat altijd een deel van de energie verloren bij de ladingsscheiding tussen twee verschillende materialen.

Die efficiëntie verwijst niet naar het totale elektrische rendement van een zonnepaneel, maar naar de interne opbrengst op moleculair niveau. Toch is het uitzonderlijk: de metingen tonen aan dat het materiaal zelf nauwelijks energie verliest tijdens het omzetten van licht in lading.

Betekenis voor zonne-energie

De ontdekking wijst op een nieuw type zonnecel dat lichter, eenvoudiger en goedkoper kan worden geproduceerd. Omdat slechts één soort molecuul nodig is, kan de fabricage minder complex worden dan bij cellen met meerdere lagen en interfaces.

De resultaten zijn veelbelovend, maar het gaat nog om onderzoek in een vroeg stadium. De experimenten werden uitgevoerd met dunne films in het laboratorium. Volgende stappen zijn het testen van de stabiliteit, de levensduur en de schaalbaarheid van het materiaal voordat praktische toepassingen in zicht komen.