Stroom komt straks uit je eigen vensterglas

Hernieuwbare energiebronnen zijn de toekomst. Toch is vooral in Nederland het aandeel daarvan in de energiemix laag. Van alle energie die in Nederland wordt verbruikt, is slechts 7,4 procent duurzaam. Daarvan komt slechts 1 procentpunt voor rekening van zonne-energie. Dat is onder meer te wijten is aan de relatief lage opbrengst van de elektriciteit die door dergelijke systemen wordt opgewekt. Door een vinding van een jonge Duitse wetenschapper kan daar verandering in komen

Hoewel de zon onder de wolkenloze hemel op onze breedtegraden een stralingsenergie van ongeveer 1000 watt per vierkante meter kan leveren, zetten de monokristallijne siliciumzonnecellen die gewoonlijk op de markt verkrijgbaar zijn, daarvan slechts zo’n 20 procent om in elektriciteit.

Voor- en nadelen

Organische zonnecellen presteren nog slechter. Die hebben een rendement van maximaal 12,6 procent, vertelt prof. Christoph Brabec, directeur van het Instituts für Materialien in der Elektronik und Energietechnologie (i-MEET).

Bovendien zijn organische zonnecellen tot nu toe ook minder stabiel. Ze hebben echter ook veel voordelen. Ze zijn goedkoper te produceren en kunnen flexibeler worden gebruikt. Prof. Brabec en zijn groep werken daarom al jaren aan het verminderen van de nadelen. Een van de studenten, Andrej Classen, heeft nu in een proefschrift aangetoond dat de efficiëntie kan worden verhoogd door gebruik te maken van luminescerende acceptormoleculen.

Stroom uit vensterglas

De voordelen van organische zonnecellen liggen voor de hand, benadrukken de wetenschappers. Ze zijn dun en flexibel als een folie en kunnen gemakkelijk worden aangepast aan verschillende substraten. “De golflengte waarop het zonlicht wordt geabsorbeerd, kan via het gebruikte macromolecuul worden ‘aangepast’. Zo zou een kantoorraam met organische zonnecellen niet alleen de warmtestraling kunnen afschermen, maar tegelijkertijd ook elektriciteit opwekken. “Een criterium dat met het oog op de klimaatcrisis steeds belangrijker wordt, is dat uiteindelijk een zonnecel meer energie opwekt dan de productie ervan heeft gekost. Deze zogenaamde energieterugverdientijd is sterk afhankelijk van de gebruikte technologie en de locatie van het fotovoltaïsche (FV) systeem.

Volgens de laatste berekeningen van het Fraunhofer-instituut voor zonne-energiesystemen (ISE) in Zwitserland bedraagt deze energieterugverdientijd van PV-modules op basis van silicium 2,5 – 2,8 jaar. Met organische zonnecellen zou de energieterugverdientijd slechts enkele maanden bedragen, zegt Dr. Thomas Heumüller, onderzoeksassistent van Prof. Brabec.

Vermogensverlies

Daarnaast heeft de organische zonnecel nog een ander groot nadeel ten opzichte van de “klassieke” silicium zonnecel. Zonlicht genereert niet direct vrije ladingen voor de stroomtoevoer, legt Dr. Heumüller uit. Er worden zogenaamde excitonen geproduceerd, waarbij de positieve en negatieve ladingen nog steeds gebonden zijn. “Dat moet dus eerst worden gescheiden.

Meer artikelen over zonne-energie vindt u hier

Om de ladingen te scheiden is een bepaalde drijvende kracht nodig, de zogenaamde drijvende kracht, die afhankelijk is van de moleculaire structuur van de gebruikte polymeren. Tot nu toe werden vooral bepaalde moleculen gebruikt als elektronenacceptor in organische zonnecellen. Daardoor neemt echter het vermogen van de zonnecel af volgens de formule die van toepassing is op gelijkstroom: ‘vermogen is gelijk aan de spanning maal de stroomsterkte’.

Vermogen neemt met bepaalde moleculen toe

Om erachter te komen hoe dat proces verbeterd kan worden, vergeleek Andrej Classen combinaties van vier donor- en vijf acceptorpolymeren. Deze hadden hun potentieel voor organische zonnecellen al bewezen.

Op basis van de meetresultaten leverde hij het eerste bewijs van een zogenioemd ‘Boltzmann-evenwicht’ tussen excitonen en gescheiden ladingen, de zogenaamde charge transfer (CT) staten, waarvan in het onderzoek al was uitgegaan. In de toekomst moet het onderzoek zich daarom concentreren op het voorkomen van het verval van de exciton, d.w.z. op het verhogen van de “levensduur” van de excitatie. Tot nu toe is de nadruk alleen gelegd op de levensduur van de CT-staat.

Het verval van de exciton kan worden veroorzaakt door de emissie van licht (luminescentie) of door warmteontwikkeling. Door modificatie van het polymeer kon de warmteontwikkeling tot een minimum worden beperkt, waardoor vooral de luminescentie behouden blijft. “De verhoging van de efficiëntie van organische zonnecellen leidt daarom via zeer lichtgevende acceptormoleculen”, benadrukt Classen.

Het onderzoek van Andrej Classens is gepubliceerd in het vaktijdschrift „Nature Energy“.