8 feb. 2015
2 minuten
Een plastic zonnecel heeft een twee tot drie keer hogere efficiëntie als je tijdens de productie een extra oplosmiddel toevoegt, vergelijkbaar met de rol van bakpoeder in een deegmengsel. Hoe dat precies komt, was tien jaar lang onduidelijk. Nu helderen onderzoekers van TU Eindhoven de kwestie eindelijk op, in het vakblad Nature Communications. De nieuwe inzichten maken een doelgerichtere ontwikkeling van plastic zonnecellen mogelijk.
Plastic zonnecellen, ook bekend als organische zonnecellen, gebruiken polymeren in plaats van het gangbaardere silicium om de energie uit zonlicht om te zetten in elektriciteit. Plastic als basismateriaal maakt deze zonnecellen goedkoop, licht en flexibel, maar qua rendement blijven ze met zo’n tien procent vooralsnog achter bij commerciële siliciumzonnecellen, die tussen de vijftien en twintig procent halen.
Per toeval
Ongeveer tien jaar geleden ontdekte men per toeval dat de efficiëntie van een plastic zonnecel met een factor twee tot drie omhoog gaat als je tijdens het productieproces een tweede oplosmiddel toevoegt. "Tegenwoordig gebruiken ze deze middelen in alle plastic zonnecellen", zegt TU/e-hoogleraar René Janssen (faculteit Technische Natuurkunde en Scheikundige Technologie). "Maar niemand wist precies waarom ze zo’n gunstig effect hebben op de efficiëntie."
Morfologie
Wel wist men dat het iets te maken moest hebben met de ‘morfologie’ van de zonnecel, simpel gezegd de precieze structuur van twee gemengde plastic componenten in de cel waartussen elektronen gaan bewegen na inval van het zonlicht. Deze componenten – beide een organisch materiaal – worden tijdens het productieproces in oplossing gebracht, waarna ze door verdamping opdrogen en uitharden. Het mysterieuze extra oplosmiddel wordt altijd voor het verdampen aan de oplossing toegevoegd.
Grote druppels
De Eindhovense onderzoekers onder leiding van Janssen gebruikten een combinatie van optische technieken om het effect van het wondermiddel nu voor eens en voor altijd duidelijk te maken. Ze zagen dat als je géén extra oplosmiddel toevoegt er grote druppels blijken te ontstaan tijdens het uitharden van het plastic mengsel. Deze hinderen het elektrontransport – en dus de werking van de zonnecel. "Hoe meer van het extra oplosmiddel in de oplossing zit, des te kleiner die druppels uiteindelijk blijken te zijn, tot ze bij een bepaalde hoeveelheid compleet verdwijnen", zegt Janssen.
Bakpoeder
Ook ontdekten ze hoe dat komt. "Bij het uitharden gebeuren twee dingen", ;legt Janssen uit. "Enerzijds verdampt de oplossing en daarnaast vouwen polymeren in de oplossing op. We zagen dat het extra oplosmiddel ervoor zorgt dat dit opvouwen veel eerder begint, hierdoor kunnen de druppels uiteindelijk niet meer ontstaan." Het extra oplosmiddel fungeert zodoende als een soort bakpoeder: het maakt de structuur van het mengsel beter, maar met alléén dit middel kun je niet volstaan.
Effectiever
De onderzoekers hopen dat hiermee de ontwikkeling van plastic zonnecellen effectiever wordt. Janssen: "Tot nu toe was de aanpak vooral trial-and-error. Nu kunnen we veel gerichter voorspellen wat wel of niet gaat werken."
Hans van Franeker et al., A real-time study of the benefits of co-solvents in polymer solar cell processing, Nature Communications (6 februari 2015, online). DOI: 10.1038/ncomms7229.
Dit onderzoek is deels gefinancierd door het Dutch Polymer Institute (DPI).
Anderen lazen ook
