Elektriciteit uit zonlicht, dat is een goed idee. Maar goed beschouwd staat de techniek waarmee we profiteren van de energie die de zon ons schenkt nog in de kinderschoenen. Er wordt druk geëxperimenteerd met verschillende materialen en de efficiëntie van de cellen neemt elk jaar toe. In de race om de hoogste rendementen hebben de ‘traditionele’ zonnecellen van silicium een flinke voorsprong op cellen van organisch materiaal (‘plastic’ zonnecellen). Waar een siliciumcel al een kwart van het hierop vallende zonlicht kan omzetten in elektriciteit, blijft de plastic concurrentie vooralsnog onder de acht procent.

Toch zijn de plastic cellen zeker niet kansloos. Ze zijn namelijk veel eenvoudiger (en goedkoper) op grote schaal te produceren en je kunt ze zelfs inbouwen in flexibele folies - wat veel extra toepassingsmogelijkheden oplevert. De onderzoeksgroep van prof.dr.ir. René Janssen, die als het ware in hangt tussen de faculteiten Scheikundige Technologie en Technische Natuurkunde, houdt zich bezig met de ontwikkeling van deze plastic zonnecellen.

De Tsjechische promovenda Klára Maturová (27) wijdde de afgelopen vier jaar aan het bestuderen en analyseren van de in deze groep geproduceerde plastic zonnecellen. Ze is gespecialiseerd in diverse vormen van tastmicroscopie, een aantal technieken waarmee een object met een precisie van nanometers in kaart wordt gebracht door een minus-cuul naaldje over het oppervlak te laten bewegen. Het bekendste voorbeeld is atoomkrachtmicroscopie (‘atomic force microscopy’), waarmee de verdeling van de verschillende werkzame materialen in de plastic zonnecel zichtbaar kan worden gemaakt. “Die verdeling van materialen blijkt cruciaal voor de werking van de zonnecel”, zegt Maturová.

De actieve laag van plastic zonnecellen -ingeklemd tussen twee plaatvormige elektrodes- bestaat uit twee materialen: een elektrondonor (een polymeer) dat met de energie van het binnenvallende zonlicht een elektron vrijmaakt, en een elektronacceptor (in dit geval fullereen) dat het elektron overneemt en naar de negatieve elektrode geleidt. Dat klinkt relatief eenvoudig, maar als je dit proces in meer detail bekijkt, blijkt het volgens Maturová wat ingewikkelder. Het binnenvallende licht creëert namelijk in eerste instantie een zogeheten ‘elektron-gat’-paar, waarbij het gat feitelijk de plek is waar het elektron is verdwenen. Het negatief geladen elektron en het positief geladen gat trekken elkaar aan en blijven een fractie van een seconde om elkaar heen cirkelen.

“Alleen als het ‘elektron-gat’-paar binnen een nanoseconde bij het grensvlak tussen donor- en acceptormateriaal terechtkomt, wordt het paar gesplitst en beweegt het elektron door het acceptormateriaal naar de negatieve elektrode.” Bestaat het actieve materiaal uit grove blokken donor- en acceptormateriaal, dan lossen de elektron-gat paren als het ware op voordat ze zich hebben kunnen splitsen. Hierdoor wordt het materiaal slechts opgewarmd zonder dat er elektriciteit wordt geproduceerd. “Daarom is een fijnere verdeling van beide materialen veel gunstiger: dan is de kans dat het elektron-gatpaar op tijd een grensvlak bereikt een stuk groter.” Maar een te fijne verdeling, met volledig gemengde acceptor- en donormoleculen, werkt ook niet. Dan is er namelijk geen aaneengesloten gebied van hetzelfde materiaal om elektron of gat naar de elektrode te geleiden. “Je hebt dus wel een bepaalde mate van scheiding tussen donor en acceptor nodig.”

Om de werking van de zonnecellen te begrijpen, wil je niet alleen de structuur, maar ook de elektrische eigenschappen van het actieve materiaal tot in detail kunnen bestuderen. Maturová gebruikte daarvoor twee geavanceerde vormen van tastmicroscopie: ‘Kelvin probe’-microscopie en ‘scanning tunneling’-microscopie. Eerst verwijderde ze de bovenste elektrode van een in de groep van Janssen gemaakte zonnecel. Het toplaagje van de actieve laag eronder schraapte ze weg. “Dat laagje geleidt slecht en blijkt niet representatief voor de rest van het materiaal.” Vervolgens gebruikte ze de Kelvin probe microscoop om samenhang tussen de verdeling van donor- en acceptormateriaal en elektrische lading te onderzoeken. De naald van de microscoop fungeert daarbij als tweede elektrode en wordt door het oppervlak aangetrokken met een kracht die afhangt van de ladingsverdeling in het materiaal.

De promovenda bestudeerde de zonnecel eerst in het donker. “Dan zou je nog geen verschil moeten zien tussen donor en acceptor, maar dat verschil bleek er toch te zijn. Als je vervolgens licht op het materiaal schijnt, zie je overal vrije elektronen. De meeste elektronen zitten zoals verwacht in het acceptormateriaal. Het was heel opvallend dat de ladingsverschillen heel lang bleven bestaan nadat we het licht weer uit hadden gedaan, tot wel enkele dagen lang. Dat hadden we niet verwacht.” Vervolgens was het de beurt aan de ‘scanning tunneling’-microscoop. Hiermee kun je lokaal de elektrische geleiding van het materiaal vaststellen. Je zet een spanning over het geheel van sample en naald en vervolgens meet je de afstand boven het sample waar je de naald moet houden om die stroom constant te houden. Zo krijg je een heel nauwkeurig beeld (tot bijna op het niveau van individuele atomen) van de geleiding in het mate-riaal. “De meeste onderzoekers meten het verband tussen spanning en stroom voor de hele zonnecel, maar wij hebben dit nu gedaan voor elk punt van de cel. En dan zie je dat het acceptormateriaal echt werkt als een soort afvoerputje voor elektronen. Het onttrekt zelfs elektronen uit het omliggende materiaal als de naald van de microscoop in de buurt komt.”

De metingen met de tastmicroscoop zette Maturová om in een model dat de werking van plastic zonnecellen beschrijft. Haar relatief eenvoudige model van de actieve laag beschrijft de meetresultaten goed en voorspelt dat het rendement van de bestaande materialen omhoog kan als meer aandacht wordt besteed aan de verdeling van donor en acceptor, ofwel de morfologie van de actieve laag. “De morfologie blijkt cruciaal, en daar is nog veel winst te behalen.” (TJ)/.