Een interdisciplinair onderzoeksteam van chemici, fysici en wiskundigen van de TU Eindhoven en de Universität Ulm heeft voor het eerst driedimensionale (3D) foto’s met hoge resolutie gemaakt van het inwendige van een polymeer zonnecel. Dit levert belangrijke nieuwe infor-matie over de nanostructuur van polymeer zonnecellen en de betekenis hiervan voor de capaciteit.
De resultaten leveren belangrijke nieuwe inzichten in het functioneren van polymeer zonnecellen. Dit type cellen heeft nog niet de capaciteit van uit silicium bestaande soort maar ze kunnen snel en eenvoudig worden geproduceerd. Dit is zelfs mogelijk op gedrukte rollen, waardoor deze technologie een stuk voordeliger lijkt te zijn. Bovendien zijn polymeer zonnecellen flexibel, waardoor ze geschikt zijn voor het gebruik in voertuigen en zelfs op kleding.
Hybride zonnecellen
In hybride polymeer zonnecellen worden een polymeer en een metaaloxide gebruikt om elektrische ladingen aan de fasegrenzen op te wekken als het materiaal door de zon wordt beschenen. De mate van vermenging van deze beide materialen is daarbij een beslissende factor voor het rendement. Bij sterke vermenging ontstaan meer fasegrenzen, wat het ontstaan van elektrische ladingen verbetert. Tegelijkertijd bemoeilijkt dit echter het transport van deze ladingen omdat de weg naar de elektrode via lange en verweven banen moet verlopen. Bij een geringe vermenging van de materialen ontstaat het tegengestelde effect.
De sterk verschillende chemische structuur van polymeren en metaaloxiden levert problemen op om de nanostructuur te controleren. Het is de onderzoekers aan de TU Eindhoven onder leiding van prof. René Janssen gelukt om dit probleem grotendeels op te lossen door een substantie te gebruiken, die zich goed met het polymeer mengt en dan daaropvolgend het gewenste metaaloxide levert. Deze werkwijze maakt een betere vermenging mogelijk, wat ertoe leidt dat tot 50 % van de geabsorbeerde fotonen als elektrische lading aan de externe stroomkring kan worden afgegeven.
Vermenging in nanobereik
Hoe belangrijk de graad van vermenging is, werd door visualisering van de nanostructuur met behulp van 3D-foto’s zichtbaar. Tot nu toe was het niet mogelijk om zulke afbeeldingen te maken. Met het gebruik van 3D-elektronentomografie kon het onderzoeksteam met hoge nauwkeurigheid details in de nanostructuur bereiken.
Met behulp van deze driedimensionale foto’s konden de onderzoekers van het Institut für Stochastik van de Universität Ulm geometrische kengetallen van de nanostructuur van de zonnecellen vaststellen, die ze konden koppelen aan de prestaties. Hieronder vallen bijvoorbeeld de specifieke afstanden tussen de beide fases of de verbindingsgraad van de metaaloxidefase met de elektrode. Deze structuurgrootheden, die kwantitatief werden vastgesteld, komen overeen met de gemeten prestaties.
Vraagstelling
Hoewel de bekeken polymeer zonnecellen tot de beste van deze soort horen, wordt slechts 2 % van de energie van het zonlicht in elektrische lading omgezet. Het nieuwe doel is dit aandeel sterk te vergroten. Aan de ene kant moet dit worden bereikt door betere controle van de morfologie van de fotoactieve laag, doordat bijvoorbeeld nieuwe polymeren gesynthetiseerd worden, die zich beter gecontroleerd met metaaloxide laten mengen. Bovendien moeten nieuwe polymeren of moleculen worden ontwikkeld, die een groter aandeel van het zonlicht kunnen absorberen.
Pas als deze problemen zijn opgelost, zullen voordelen van hybride zonnecellen, dus de lage productiekosten en de thermische stabiliteit van de nanostructuur, volledig tot hun recht komen.
