Wat een bacterie ons leert over zonnecellen

De groene zwavelbacterie kan in extreme omstandigheden nog steeds energie halen uit licht. Zelfs diep in de oceaan kan hij bijvoorbeeld energie winnen uit de infraroodstraling van hete onderzeese bronnen. En dat zou wel eens een bron van inspiratie kunnen zijn voor een nieuwe generatie zonnecellen.

RUG-natuurkundige Thomas La Cour Jansen onderzoekt hoe de structuur van deze bijzondere bacterie maakt dat hij zo efficiënt energie uit licht kan oogsten.

“Op honderd meter onder de zeespiegel dringt nauwelijks nog zonlicht door. Toch weet de groene zwavelbacterie nog steeds voldoende energie te halen uit dat kleine beetje licht. En de bacterie kan zelfs energie winnen uit het infrarood licht afkomstig van hete onderzeese bronnen nabij bodemscheuren in de oceaan.”

De bacterie kan uit allerlei kleuren in het lichtspectrum energie halen, en weet die energie ook nog eens op een zeer efficiënte manier af te voeren. Hoe heeft de natuur dit zo efficiënt weten in te richten?

Dat onderzoekt Jansen door de structuur van de groene zwavelbacterie nauwkeurig in beeld te brengen, en verbanden te zoeken tussen structuur en functie. Dat doet hij met computermodellen die de bacterie nabootsen op het niveau van specifieke kleurstofmoleculen, en met weer andere molecuulmodellen die precies voorspellen welke kleur licht de bacterie goed kan opnemen en hoe dat uiteindelijk tot energietransport leidt.

Spiralen, buisjes, lamellen

Jansen ontdekte dat de groene zwavelbacterie zo efficiënt energie uit licht haalt dankzij een samenspel van allerlei verschillende structuren binnenin. De bacterie combineert kleurstofmoleculen in allerlei vormen: spiralen, dunne buisjes en een soort lamellen, en dat allemaal strak in elkaar gepast. “Zo’n gevarieerde structuur zorgt ervoor dat de energie die het licht teweegbrengt allerlei kanten op kan en niet onnodig afgeremd wordt. Je kunt het vergelijken met een meerbaans snelweg: energie kan rustig doorstromen zonder dat het achter een trage vrachtauto vast komt te zitten, bij wijze van spreken.”

Er bestaan ook al kunstmatige materialen die zo’n handige organisatie van structuren bevatten. Bijvoorbeeld Cy3, een type kunstmatige rode verfstof uit de familie van cyanine-verven. Samen met collega Maxim Pshenichnikov bestudeerde Jansen Cy3, en constateerde dat het materiaal op soortgelijke wijze een soort ‘meerbaans-snelweg’ vormt voor de energie uit licht.

Het is de structuur van de groene zwavelbacterie die deze efficiënte energieverplaatsing mogelijk maakt, en door het verband tussen structuur en functie te bestuderen krijgt Jansen inzicht in hoe zonnecellen beter kunnen worden gemaakt. In het bijzonder hebben elektronen de neiging om terug te keren naar het dichtstbijzijnde atoom waarvan een elektron ontbreek – een fenomeen met de naam electron-hole recombination. Als dat gebeurt zou de elektrische lading verloren gaan. Jansen laat met zijn computermodellen zien dat in organische zonnecellen, een soortgelijke gelaagde organisatie van de organische moleculen helpt om te zorgen dat de elektronen in organische zonnecellen blijven stromen en dus hun energie elders kunnen afleveren. 

Donkere gebieden

De groene zwavelbacterie heeft trouwens nog meer ingebouwde handigheidjes, zoals zogenaamde dark states. Dit zijn toestanden die geen licht absorberen, maar ook geen energie kwijtraken. Wel nemen ze energie over van naburige licht-absorberende toestanden, om het vervolgens verder te transporteren naar waar het moet zijn. De dark states vormen dus een soort tussentijdse opslag. En dat is handig, legt Jansen uit: “Atomen die energie uit zonlicht opnemen, stralen zelf altijd ook weer wat licht uit. Maar als ze hun energie direct doorgeven aan de dark states, gaat die niet verloren, en komt het allemaal goed terecht. Ja, dat zou zeker wel eens nuttig kunnen zijn voor zonnecellen.”