Het rendement van kunststof zonnecellen kan worden verdubbeld of verdrievoudigd als tijdens het productieproces een extra oplosmiddel wordt toegevoegd, vergelijkbaar met de rol van bakpoeder in deegmengsel. Hoe dit precies werkt, is de afgelopen tien jaar onduidelijk geweest. Maar nu komen onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) met het antwoord in een publicatie in Natuurcommunicatie . Dit nieuwe begrip zal nu een gerichte ontwikkeling van plastic zonnecellen mogelijk maken.

Kunststof zonnecellen, ook wel organische zonnecellen genoemd, gebruik polymeren in plaats van het gebruikelijke silicium om de energie uit zonlicht om te zetten in elektriciteit. Het gebruik van kunststof als basismateriaal verlaagt de kosten en het gewicht van deze zonnecellen, en maakt ze flexibel. Maar hun efficiëntie van ongeveer 10 procent blijft nog steeds onder die van commerciële siliciumzonnecellen, die een efficiëntie van tussen de 15 en 20 procent bereiken.

toevallige ontdekking

Ongeveer tien jaar geleden, bij toeval bleek dat het rendement van kunststof zonnecellen met een factor twee tot drie werd verhoogd door tijdens het productieproces een extra oplosmiddel ('co-solvent') toe te voegen. "Deze co-oplosmiddelen worden nu gebruikt in alle plastic zonnecellen", zegt TU/e-hoogleraar René Janssen. "Maar niemand wist precies waarom ze zo'n gunstig effect hebben op de efficiëntie."

Morfologie

Het was bekend dat er een verband was met de 'morfologie' van de zonnecel, met andere woorden de exacte structuur van twee gemengde kunststofcomponenten in de cel waartussen elektronen bewegen onder invloed van zonlicht. Deze componenten – beide organische stoffen – worden tijdens het productieproces opgelost, waarna ze verdampen en uitharden. Het mysterieuze co-oplosmiddel wordt altijd voor verdamping aan het oplosmiddel toegevoegd.

Druppelgrootte

De Eindhovense onderzoekers onder leiding van René Janssen gebruikten een combinatie van optische technologieën om een ​​definitieve verklaring te vinden. Ze zeggen dat als ze geen co-oplosmiddel hebben toegevoegd, ze ontdekten dat er grote druppels werden gevormd tijdens het uitharden van het plastic mengsel. Deze hebben een nadelig effect op het elektronentransport – en daarmee op het rendement van de zonnecel. "Hoe meer co-solvent u toevoegt aan de oplossing, hoe kleiner de bubbels blijken te zijn, totdat ze volledig verdwijnen wanneer een specifieke inhoud is bereikt", zegt Janssen.

'Opvouwen' en verdampen

Ook daar hebben ze de reden voor gevonden. "Er zijn twee effecten die optreden tijdens het uithardingsproces", zegt Janssen. "Enerzijds verdampt de oplossing, en bovendien krijgen polymeren een 'gevouwen' structuur. We zagen dat het co-solvent dit 'vouwproces' in een veel vroeger stadium laat beginnen, waardoor de belletjes uiteindelijk helemaal niet meer worden gevormd." Op deze manier werkt het co-solvent als een soort 'bakpoeder':het verbetert de structuur van het mengsel, maar de agent op zich is niet genoeg.

Effectiever

De onderzoekers hopen dat hun bevindingen de ontwikkeling van plastic zonnecellen effectiever zullen maken. "Tot nu toe was het vooral een kwestie van trial-and-error", zegt Janssen. "Maar nu kunnen we veel nauwkeuriger voorspellen wat waarschijnlijk zal werken, en wat niet."