Als zonlicht door een bladerdak filtert, chlorofyl is hard aan het werk om de energie van fotonen te vangen. Geïnspireerd door de natuur, onderzoekers van NTNU werken aan lichtvangende kleurstoffen voor zonnecellen om elektriciteit op te wekken.

Dit zijn niet het soort zonnecellen dat je op het dak van een gebouw ziet. In die silicium zonnecellen, licht raakt een van de twee halfgeleiderlagen en maakt elektronen vrij om tussen de lagen te springen. Het is de beweging van deze elektronen die een elektrische stroom creëert. Een kleurstofgevoelige zonnecel (DSSC) werkt op een vergelijkbare manier, maar een van de halfgeleiderlagen is vervangen door een lichtgevoelige kleurstof die het licht absorbeert en in plaats daarvan elektronen afgeeft.

Kleurstofgevoelige zonnecellen zijn meestal niet zo efficiënt in het omzetten van licht in elektriciteit als hun siliciumtegenhangers. Maar ze werken bij weinig licht, en transparant en flexibel kan zijn, zijn dus beter geschikt voor sommige toepassingen. Om echt optimaal te profiteren van DSSC's, een onderzoeksproject dat gedeeltelijk wordt gefinancierd door de Onderzoeksraad van Noorwegen (RCN) zoekt naar manieren om hun efficiëntie te verhogen.

In een artikel gepubliceerd in het tijdschrift Dyes and Pigments, NTNU Ph.D. kandidaat David Moe Almenningen en collega's, Odd Reidar Gautun, Bård Helge Hoff en Svein Sunde hebben aangetoond dat het toevoegen van een bepaald molecuul aan de kleurstoffen de lichtopbrengst kan verhogen, hoewel tot nu toe het extra licht een prijs heeft.

Om licht te oogsten moet een kleurstof fungeren als elektronendonor en elektronenacceptor.

"Als dit molecuul wordt geraakt door een zonnestraal, dan beweegt het elektron van het elektronenrijke deel naar het elektronenarme deel, ’, zegt Almenningen.

Door iets toe te voegen tussen donor en acceptor, scheikundigen zijn in staat om de hoeveelheid licht die de cel oogst te verhogen.

Het onderzoek van Almenningen onderzoekt de toevoeging van verbindingen met thiofenen, een molecuul dat lijkt op benzeen maar zwavel bevat. Thiofenen zijn elektronenrijk, dus zou naar verwachting de lichtopbrengst-eigenschappen van de kleurstof toenemen, hij zegt. En recente experimenten tonen aan dat ze dat doen:de kleurstof met de meeste thiofenen was degene die het meeste licht oogstte.

Nog geen verbetering

Echter, het blijkt dat meer licht dat een kleurstof opvangt, niet automatisch betere zonnecellen betekent. Simpel gezegd:je krijgt misschien meer elektronen, maar ze gaan niet per se waar u ze wilt hebben.

In zijn experimenten, Almenningen ontdekte dat hoewel het het meeste licht absorbeerde, de kleurstof met de meeste thiofenen maakte eigenlijk de minst efficiënte zonnecel.

"Je denkt dat je iets briljants doet door het vermogen om licht te oogsten te vergroten, maar dan zijn er andere reacties gaande in de zonnecel die negatief worden beïnvloed door deze modificaties, " hij zegt.

Biedt potentiële voordelen

Hij en zijn collega's hopen een manier te vinden om die contraproductieve effecten te vermijden en te profiteren van de verbeterde lichtcollectie. Hun volgende stap is om te proberen de kleurstof chemisch aan te passen, zodat de elektronen maar in één richting kunnen gaan. Als dit lukt, het zou kunnen leiden tot efficiëntere zonnecellen.

Het vinden van een manier om de efficiëntie van DSSC's te vergroten, is een van de obstakels voor wijdverbreid gebruik. Het huidige hoogste rendement ligt rond de 12%, vergeleken met bijna 20% voor een traditionele commerciële siliciumzonnecel.

Als onderzoekers het door kleurstoffen in deze zonnecellen opgevangen licht effectiever kunnen benutten, DSSC's zouden potentieel een voordeel kunnen bieden ten opzichte van traditionele kristallijne zonnecellen als het gaat om opschaling:ze zijn goedkoop te maken, omdat ze geen cleanroom of vacuümtechnologie nodig hebben.

Een veelbelovende mogelijkheid voor DSSC's zou zijn om ze in gebouwen te integreren om het zwakkere licht op te vangen dat doorgaans binnenshuis wordt aangetroffen.

"Daar schijnen deze zonnecellen, " zegt Almenningen. "Ze zien er ook best mooi uit. U kunt elke gewenste kleur aanpassen, ze kunnen doorzichtig zijn."

Voor Almenningen, Hoewel, de beloning ligt in het uitzoeken hoe het veranderen van de chemische structuur de prestaties van de kleurstof beïnvloedt:"De chemie op zich is wat fascinerend is."