Dankzij twee technologieën ontwikkeld door professor Benoit Marsan en zijn team aan de Universite du Quebec, een afdeling Chemie in Montreal (UQAM), de wetenschappelijke en commerciële toekomst van zonnecellen kan totaal worden getransformeerd. Professor Marsan heeft oplossingen bedacht voor twee problemen die, de afgelopen twintig jaar, hebben de ontwikkeling van efficiënte en betaalbare zonnecellen belemmerd.

Zijn bevindingen zijn gepubliceerd in twee prestigieuze wetenschappelijke tijdschriften, de Tijdschrift van de American Chemical Society ( JACS ) en Natuurchemie .

Het onbenutte potentieel van zonne-energie

De aarde ontvangt in een uur meer zonne-energie dan de hele planeet momenteel in een jaar verbruikt! Helaas, ondanks dit enorme potentieel, zonne-energie wordt nauwelijks benut. De elektriciteit die wordt geproduceerd door conventionele zonnecellen, samengesteld uit halfgeleidermaterialen zoals silicium, is 5 of 6 keer duurder dan uit traditionele energiebronnen, zoals fossiele brandstoffen of waterkracht. Door de jaren heen, talloze onderzoeksteams hebben geprobeerd een zonnecel te ontwikkelen die zowel energiezuinig als goedkoop te produceren is.

Kleurstofgevoelige zonnecellen

Een van de meest veelbelovende zonnecellen werd begin jaren '90 ontworpen door professor Michael Graetzel van de Ecole Polytechnique Federale de Lausanne (EPFL) in Zwitserland. Gebaseerd op het principe van fotosynthese:het biochemische proces waarbij planten lichtenergie omzetten in koolhydraten (suiker, hun voedsel) - de Graetzel-zonnecel bestaat uit een poreuze laag nanodeeltjes van een wit pigment, titaandioxide, bedekt met een moleculaire kleurstof die zonlicht absorbeert, zoals het chlorofyl in groene bladeren. Het met pigment beklede titaandioxide wordt ondergedompeld in een elektrolytoplossing, en een op platina gebaseerde katalysator maakt het pakket compleet.

Net als bij een conventionele elektrochemische cel (zoals een alkalinebatterij), twee elektroden (de titaandioxide-anode en de platinakathode in de Graetzel-cel) zijn aan weerszijden van een vloeistofgeleider (de elektrolyt) geplaatst. Zonlicht gaat door de kathode en de elektrolyt, en trekt vervolgens elektronen uit de titaniumdioxide-anode, een halfgeleider aan de onderkant van de cel. Deze elektronen reizen door een draad van de anode naar de kathode, het creëren van een elektrische stroom. Op deze manier, energie van de zon wordt omgezet in elektriciteit.

De meeste materialen die worden gebruikt om deze cel te maken, zijn goedkoop, gemakkelijk te vervaardigen en flexibel, waardoor ze kunnen worden geïntegreerd in een breed scala aan objecten en materialen. In theorie, de Graetzel-zonnecel heeft enorme mogelijkheden. Helaas, ondanks de uitmuntendheid van het concept, dit type cel heeft twee grote problemen die de grootschalige commercialisering ervan hebben verhinderd:

• De elektrolyt is:a) extreem corrosief, wat resulteert in een gebrek aan duurzaamheid; b) dicht gekleurd, het voorkomen van de efficiënte doorgang van licht; en c) de fotospanning van het apparaat beperkt tot 0,7 volt.
  
• De kathode is bedekt met platina, een materiaal dat duur is, ondoorzichtig en zeldzaam.

Ondanks talloze pogingen, tot de recente bijdrage van professor Marsan, niemand had een bevredigende oplossing voor deze problemen kunnen vinden.

De oplossingen van professor Marsan

Professor Marsan en zijn team werken al enkele jaren aan het ontwerp van een elektrochemische zonnecel. Zijn werk omvatte nieuwe technologieën, waarvoor hij talrijke patenten heeft ontvangen. Bij het beschouwen van de problemen van de cel ontwikkeld door zijn Zwitserse collega, Professor Marsan realiseerde zich dat twee van de technologieën die voor de elektrochemische cel zijn ontwikkeld, ook kunnen worden toegepast op de Graetzel-zonnecel, specifiek:

• Voor de elektrolyt, volledig nieuwe moleculen zijn gecreëerd in het laboratorium waarvan de concentratie is verhoogd door de bijdrage van professor Livain Breau, ook van de afdeling Chemie. De resulterende vloeistof of gel is transparant en niet-corrosief en kan de fotospanning verhogen, waardoor de output en stabiliteit van de cel wordt verbeterd.
  
• Voor de kathode het platina kan worden vervangen door kobaltsulfide, wat veel minder duur is. Het is ook efficiënter, stabieler en gemakkelijker te produceren in het laboratorium.

Onmiddellijk na hun publicatie in JACS en Natuurchemie , De voorstellen van professor Marsan werden enthousiast ontvangen door de wetenschappelijke gemeenschap. Velen zien zijn bijdrage als een grote doorbraak in het onderzoek naar de productie van goedkope en efficiënte zonnecellen.