Zonnecellen worden in veel landen in de wereld snel een van de belangrijkste manieren om schone elektriciteit te produceren. De afgelopen decennia is er enorm veel energie gestoken in het prominenter maken van zonne-energie. De technologie staat momenteel echter voor verschillende uitdagingen die wijdverbreide toepassing beperken.

In het geval van kleurstofgevoelige zonnecellen (DSSC's) - een veelbelovende fotovoltaïsche technologie - is een van de belangrijkste problemen de kleurstofaggregatie. Door hun ontwerp zijn DSSC's elektrochemische systemen die fotosynthese in planten nabootsen; ze vertrouwen op speciale lichtgevoelige kleurstoffen om zonlicht om te zetten in elektriciteit. Idealiter zou de kleurstof gelijkmatig over het oppervlak van een oxide-elektrode achter een transparante laag moeten worden aangebracht, zodat energie van geabsorbeerd zonlicht gemakkelijk kan worden overgedragen op de elektronen van de kleurstof. Dit proces genereert vrije elektronen die een extern circuit van stroom voorzien. De meeste kleurstoffen hebben echter de neiging om over het elektrodeoppervlak te aggregeren op een manier die de gewenste stroom van zowel licht als elektrische ladingen belemmert. Dit eist zijn tol van de prestaties van DSSC's die moeilijk te overwinnen zijn gebleken.

Gelukkig heeft een team van wetenschappers onder leiding van universitair hoofddocent Tomohiko Inomata van het Nagoya Institute of Technology, Japan, misschien net een oplossing voor dit probleem gevonden. In hun recente studie gepubliceerd in RSC Advances , toonden ze aan dat bepaalde ionische vloeistoffen (gesmolten zouten die zich bij relatief lage temperaturen in vloeibare toestand bevinden) de kleurstofaggregatie in indrukwekkende mate kunnen onderdrukken. Andere leden van dit onderzoeksteam waren mevrouw Ayaka Matsunaga en prof. Tomohiro Ozawa van het Nagoya Institute of Technology, en prof. Hideki Masuda van het Aichi Institute of Technology, Japan.

Maar hoe bereiken ionische vloeistoffen deze prestatie? Om licht te werpen op het exacte mechanisme dat in het spel is, concentreerden de onderzoekers zich op twee ionische vloeistoffen met duidelijk verschillende molecuulgroottes en twee soorten kleurstoffen. Beide ionische vloeistoffen hadden een vergelijkbare moleculaire structuur, bestaande uit een anker dat goed aan de elektrode bindt (titaniumdioxide, TiO₂ ), een hoofdpolymeerketen die dit anker aan een fosforatoom verbindt, en drie extra korte polymeerketens die uitsteken uit het fosforatoom en weg van de "verticale" hoofdketen.

De onderzoekers hebben de TiO₂ . ondergedompeld elektroden in oplossingen met verschillende kleurstof-tot-ionische-vloeistofverhoudingen en analyseerde zorgvuldig hoe de verschillende moleculen eraan hechtten. Na het optimaliseren van de syntheseprocedure, ontdekten ze dat DSSC's gemaakt met behulp van de ionische vloeistof met een langere moleculaire structuur opmerkelijk betere prestaties hadden dan hun tegenhangers met niet-gemodificeerde oxide-elektroden. "De ruimtelijk omvangrijke moleculaire structuur van ionische vloeistoffen werkt als een effectief anti-aggregatiemiddel zonder significante invloed op de hoeveelheid kleurstof die in de elektrode wordt geadsorbeerd", legt Dr. Inomata uit. "Het belangrijkste is dat de introductie van de grotere ionische vloeistof alle fotovoltaïsche parameters van de DSSC's verbetert."

Het behoeft geen betoog dat het verbeteren van de zonneceltechnologie ons een voorsprong kan geven in de strijd tegen de aanhoudende energie- en klimaatcrisis. Hoewel ionische vloeistoffen doorgaans duur zijn, is de manier waarop ze door het team worden gebruikt in feite kosteneffectief. "Simpel gezegd, het idee is om alleen ionische vloeistoffen aan te brengen op het vereiste deel van het apparaat - in dit geval het oppervlak van de elektrode", zegt Dr. Inomata.

Het team is van mening dat het wijdverbreide gebruik van elektroden die zijn gemodificeerd met ionische vloeistoffen de weg zou kunnen effenen voor zeer functionele maar betaalbare materialen voor zonnecellen en katalytische systemen. Omdat de structuur van ionische vloeistoffen tijdens hun synthese kan worden aangepast, bieden ze een broodnodige veelzijdigheid als anti-aggregatiemiddelen. + Verder verkennen

Chemici stellen voor om polymere ionische vloeistoffen te gebruiken in supercondensatoren