In Murcia, in het zuidoosten van Spanje, opende in augustus de grootste ‘solar farm’ ter wereld. Op een oppervlak van bijna tweehonderd voetbalvelden wordt daar het zonlicht opgevangen door honderdduizend zonnepanelen, goed voor de stroomvoorziening van twintigduizend huishoudens. Dit soort zonneboerderijen schiet vooral in Spanje momenteel als paddenstoelen uit de grond. Maar als we echt werk willen maken van zonne-energie zullen we nog groter moeten denken, zegt Dirk Veldman (28). “Als we de hele wereld in 2020 van zonne-energie willen voorzien, dan zul je een oppervlak ter grootte van heel Spanje moeten bedekken met zonnecellen.” Die berekening gaat ervan uit dat zo’n twintig procent van het zonlicht wordt omgezet in elektrische energie. “Dat rendement gaat vast nog wel iets omhoog, maar de winst die daarmee te behalen valt, is beperkt”, aldus Veldman.

Volgens Veldman is er daarom behoefte aan zonnecellen die goedkoop en snel geproduceerd kunnen worden. Momenteel wordt 95 procent van de commerciële zonnecellen gemaakt van silicium. Maar eigenlijk zijn die nog te duur. “De energie die op de solar farms wordt opgewekt, is nog altijd twee tot drie keer duurder dan energie uit fossiele brandstoffen”, zegt Veldman. Het probleem is niet dat silicium zo zeldzaam is -het wordt namelijk uit zand gewonnen-, maar het kost erg veel moeite en energie (en dus geld) om silicium van de juiste zuiverheid te verkrijgen

Een oplossing ligt mogelijk in het gebruik van plastic zonnecellen. Deze worden gemaakt van een speciaal type plastic dat licht absorbeert en ook nog stroom geleidt. Plastic zonnecellen zijn potentieel goedkoper dan siliciumcellen omdat het productieproces heel goedkoop is. Je kunt zonnecellen maken uit dunne lagen plastic met een ‘roll-to-roll’-techniek die veel weg heeft van het drukken van kranten. Zo kun je kilometers zonnecellen snel en tegen geringe kosten produceren. Daar komt nog bij dat de hoeveelheid grondstof die nodig is voor het maken van de werkzame laag in plastic zonnecellen eigenlijk heel klein is: de hoeveelheid ruwe olie die nu in zeven minuten uit de grond wordt gepompt, is voldoende voor de huidige wereldwijde energiebehoefte. Dat komt doordat de plastics zo efficiënt licht absorberen dat een laagje van honderd nanometer volstaat. Ter vergelijking: de huidige siliciumcellen zijn duizend maal zo dik, en die zijn al niet dikker dan een mensenhaar.

Donor
In zonnecellen worden onder invloed van licht elektronen vrijgemaakt. Die bewegen vervolgens naar een elektrode: er gaat een stroom lopen. In silicium ontstaat door de energie van het binnenvallende licht direct een vrij elektron, dat naar de negatieve elektrode kan bewegen. Tegelijkertijd ontstaat een soort virtueel positief geladen deeltje dat eigenlijk niets anders is dan een ontbrekend elektron: een zogeheten ‘gat’. Deze gaten begeven zich naar de positieve elektrode.

In plastic zonnecellen is het proces een stapje ingewikkelder: de elektronen en gaten blijven daar korte tijd aan elkaar vastplakken, en bewegen samen door het materiaal. Zo’n elektron-gat-paar draagt een deel van de energie van het licht met zich mee en bestaat maar een fractie van een seconde. Er zijn twee materialen -een elektrondonor en een elektronacceptor- nodig om het paar te splitsen. Die splitsing is alleen mogelijk als het paar op tijd op een overgang tussen het donor- en acceptormateriaal terechtkomt, voordat het zijn energie op een andere manier kwijtraakt. Daarvoor is het belangrijk dat donor- en acceptormateriaal dicht bij elkaar in de buurt liggen (binnen enkele nanometers). Ze worden dan ook gemengd in de werkzame laag van de zonnecel aangebracht.
Veldman kwam er tijdens zijn promotieonderzoek achter dat het elektron-gat-paar, eenmaal aangekomen op het grensvlak tussen het donor- en het acceptormateriaal, nog slechts enkele nanoseconden bestaat. Om effectief elektronen en gaten te kunnen verzamelen, is het daarom volgens hem van belang dat minstens één van beide materialen een hoge geleiding heeft in de buurt van het grensvlak tussen donor en acceptor.

Lasers
Het is al sinds 1995 bekend dat een mengsel van plastic donoren en acceptoren een werkende zonnecel oplevert, en er is sinds die tijd ook vooruitgang geboekt -van één naar vijf procent rendement- maar het is niet duidelijk hoe de cellen in detail werken. Veldman heeft vooral gekeken naar de optische eigenschappen van zonnecelmateriaal bestaande uit een aantal verschillende mengsels van donoren en acceptoren. Bij het onderzoek paste Veldman geavanceerde lasertechnieken toe om de reactie van de verschillende mengsels op het binnenvallende licht te bekijken - zowel opgelost in vloeistof als in vaste vorm. “De uiteindelijke zonnecellen zijn natuurlijk in vaste vorm, maar de tests met vloeistoffen zijn nu eenmaal erg handig omdat je daarin bijvoorbeeld gemakkelijk de temperatuur en concentratie van de verschillende stoffen kunt variëren.”

Met een drietal verschillende lasers schoot hij licht op zijn samples en vervolgens bekeek hij met een andere laser welke kleuren licht door het materiaal werden geabsorbeerd. Om de veranderingen in het materiaal -zoals de vorming van de elektron-gat-paren- op heel korte tijdschalen te kunnen volgen, gebruikte hij extreem korte laserpulsjes, de kortste niet langer dan een aantal femtoseconden (een miljoenste van een miljardste seconde).

Voetbal
Het blijkt dat de beste mengsels bestaan uit een plastic donor, en een acceptor in de vorm van fullerenen (voetbalvormige koolstofmoleculen) met een extra functionele groep hieraan gekoppeld. “Die fullerenen zijn wat minder eenvoudig en goedkoop dan de standaard polymeren, maar ze kunnen tegenwoordig al worden gemaakt voor honderd euro per gram. Dat betekent dat je voor tien euro per vierkante meter klaar bent.” Geen beperkende factor dus.

Door de focus op laserfysica is Veldman niet toegekomen aan het zelf maken van de stoffen die hij onderzocht, maar dat vindt hij geen probleem: “Het leuke van onze vakgroep, Moleculaire Materialen en Nanosystemen, is dat we op het snijvlak zitten van natuurkunde en scheikunde. Onze professor, René Janssen, rent ook voortdurend heen een weer tussen het scheikunde- en het natuurkundegebouw. De ene promovendus maakt nieuwe materialen of organische zonnecellen, en de ander karakteriseert die met fysische technieken. Zo’n brede groep werkt heel goed.”/.