Organische zonnecellen zijn doorgaans minder effectief dan silicium zonnecellen. Maar er is nog steeds een markt voor - en ze zijn mooi en opwindend.

Chemici bij NTNU werken met een type zonnecel dat een organische zonnecel wordt genoemd, gemaakt met een proces dat het kleurstofgevoelig maakt. De onderzoekers hebben zich laten inspireren door moleculen in de natuur die planten gebruiken bij het opvangen van zonlicht, en soortgelijke structuren in het laboratorium hebben nagebouwd.

In de race om de meest efficiënte zonnecellen voor buitengebruik te maken, echter, de kleurstofgevoelige zonnecellen halen het niet. Silicium zonnecellen zijn daarvoor effectiever.

De organische zonnecellen werken beter bij weinig licht, zoals binnenshuis, en het onderzoek dat in dit artikel wordt besproken, is van toepassing op binnenzonnecellen.

Voordelen binnen

Organische zonnecellen komen binnenshuis tot hun recht. In vergelijking met zonnecellen op basis van silicium, ze zijn enorm effectief in lichtomstandigheden binnenshuis. Ze kunnen ook kneedbaar worden gemaakt, transparant of vervaardigd in verschillende kleuren.

Vandaag, Er is veel vraag naar organische zonnecellen op basis van groene en blauwe kleurstoffen. Bedrijven zoals het Zwitserse bedrijf H.Glass werken aan de commercialisering van kleurstofgevoelige zonnecellen die in gebouwen worden geïntegreerd. Bij deze toepassingen is esthetiek veel belangrijker.

Een andere mogelijke indoortoepassing voor organische zonnecellen is het leveren van stroom aan verschillende componenten die zijn aangesloten op het "Internet of Things, Zoals verschillende sensoren in slimme huizen. Het is ook denkbaar dat organische zonnecellen kunnen worden gebruikt om apparaten als tablets en laptops de levensduur van de batterij te verlengen en opladen overbodig te maken.

"We blijven deze technologie onderzoeken, ook al zijn andere zonnecellen efficiënter voor gebruik buitenshuis. Dat komt omdat we geloven dat deze zonnecellen een toekomst hebben. en omdat de chemie ongelooflijk opwindend is. Ten slotte, ons vakgebied is organische reacties, " zegt Audun Formo Buene, een recente Ph.D. afgestudeerd aan NTNU's Department of Chemistry.

Het werk vereist interdisciplinair onderzoek, combineren van organische chemie, materiaal technologie, elektronica en natuurkunde. Maar wat maken de onderzoekers precies?

Veel soorten cellen

Een organische zonnecel is een beetje opgebouwd als een sandwich tussen twee glasplaten die elektriciteit geleiden:een dun laagje poreuze titaniumoxidedeeltjes zorgt voor een groot oppervlak met ruimte voor veel kleurstoffen. Als ze licht vangen, de kleurstoffen zenden een elektron uit en het circuit kan worden gesloten met een elektrolytoplossing.

Verschillende soorten organische zonnecellen zijn er in overvloed. Ze gebruiken verschillende organische materialen om het zonlicht op te vangen:kleurstofgevoelige zonnecellen, polymeren of organische halide perovskieten.

Perovskieten nemen het over

Een ander aspect van organische zonnecellen is dat het huidige onderzoek belangrijke bouwstenen oplevert op weg naar een andere potentiële zonnecelrevolutie:het mineraal perovskiet.

Perovskieten hebben een zeer specifieke kristalstructuur. Het mineraal heeft talloze toepassingen en wordt vaak aangetroffen in supergeleiders.

Door kleurstofmoleculen te vervangen door perovskiet kunnen zeer efficiënte zonnecellen worden gemaakt, hoewel stabiliteit in de loop van de tijd een uitdaging is geweest voor deze technologie.

Bij laboratoriumexperimenten, Recent is aangetoond dat metingen van perovskiet-zonnecellen een efficiëntie hebben die op hetzelfde niveau ligt als die van siliciumzonnecellen.

"Sinds de doorbraak van perovskiet, de concurrentie tussen onderzoeksgemeenschappen is toegenomen. Iedereen wil als eerste stabiele en efficiënte perovskiet-zonnecellen maken. Maar de NTNU-onderzoeksgroep blijft bij de op kleurstof gebaseerde zonnecellen. Met zo'n sterke interesse nu gericht op perovskiet, het betekent dat er minder geheimhouding is en meer samenwerking tussen onderzoeksgroepen die werken met de andere soorten organische zonnecellen, ' zegt Buene.

Efficiëntie is belangrijk, achteloos

Rendement blijft de belangrijkste factor voor alle zonnecellen. Het werk van Buene en zijn collega's is vooral gericht op het verhogen van de efficiëntie. De kleurstofmoleculen moeten worden aangepast aan het lichtspectrum, maar ze moeten ook enkele jaren stabiel blijven in de zonnecel.

De onderzoeksgroep van NTNU heeft uitgebreid gewerkt met een kleurstofklasse die behoort tot de fenothiazinegroep van organische verbindingen. De kleurstofpoeders of kristallen zijn vaak mooi diep glanzend rood van kleur. Maar het onderzoek toont aan dat er weinig winst is bij het verder ontwikkelen van cellen met dit type kleurstof, dus zijn de onderzoekers begonnen met het onderzoeken van een andere klasse van stoffen.

Puzzelen met zijn eigen stukjes

Buene heeft systematisch gewerkt:hij bestudeerde verschillende atoomgroepen, en veranderde de samenstelling in verschillende delen van de moleculaire structuur. Zijn doel is om te begrijpen wat een kleurstof goed of slecht maakt, en hoe je in de toekomst betere kleurstoffen kunt maken. Dit is als een puzzel waarbij hij zelf de puzzelstukjes maakt, voordat ze proberen uit te vinden of - en zo ja waar - ze passen.

Er moet nog veel werk worden verzet voordat de zonnecellen efficiënt en goedkoop genoeg worden om de technologie in het publieke domein vrij te geven. Echter, verschillende bedrijven werken aan het commercialiseren van de technologie, en misschien zul je ooit deze zonnecellen in je woonkamer kunnen hebben.