Kunstmatig bladgroen voor zonnecellen

Delta 10, 20 maart 2008, wetenschap

Kunstmatig bladgroen voor zonnecellen

Steeds vaker kunnen wetenschappers concrete idee‘n ontlenen aan de natuur. Deze week twee voorbeelden uit de laboratoria van DelftChemTech: prof.dr. Jan van Esch ontwikkelt kunstmatige cellen en promovenda ir. Annemarie Huijser maakte synthetisch bladgroen.

Kunstmatig bladgroen voor zonnecellen

In het laboratorium in de kelder van DelftChemTech (DCT) aan de Julianalaan straalt een laser op een proefvlakje ter grootte van een pinknagel. Op de oscilloscoop verschijnt een soort ruisband, en ieder piekje hiervan betekent een overwinning. Een piekje verraadt namelijk een elektron dat vrijgemaakt is door het laserlicht, en dat zijn weg gevonden heeft naar de onderlaag van titaniumoxide. Dit verschijnsel werd tot voor kort niet voor mogelijk gehouden.

Promovenda Annemarie Huijser (vakgroep opto-elektronische materialen binnen DCT) liet zich, zoals vele anderen voor haar, inspireren door natuurlijke fotosynthese. Zonlicht levert de aarde een vermogen van gemiddeld 100.000 terawatt (TW), zevenduizend keer meer dan de 14 TW die economisch gebruikt wordt. Fotosynthese gebruikt zonlicht om CO2 en water vast te leggen in een tempo van 100 miljard ton droge stof biomassa per jaar. Omgerekend is dat een vermogensopslag van 100 TW. Kortom, fotosynthese werkt in de natuur massaal. Is hetzelfde principe dan ook te gebruiken voor zonnecellen? Tot voor kort leek die mogelijkheid zeer beperkt, maar Huijser laat zien dat er wel degelijk perspectief is. De crux zit ‘m in de rangschikking van lichtgevoelige moleculen.

Bij fotosynthese zitten de chlorofylmoleculen ingebed in een eiwitstructuur. Terwijl het chlorofyl (bladgroen) de lichtenergie opvangt, dient de eiwitstructuur ervoor om de energie verder te geleiden. Invallend licht creëert een elektron-gat-paar dat een exciton wordt genoemd. Dit energiepakketje beweegt zich als een schokgolf van het ene molecuul naar het andere. In de gemiddelde levensduur van vijftig miljoenste van een miljoenste seconde maakt een exciton vijfhonderd sprongen en het legt daarbij zo’n vijftien nanometer (miljoenste millimeter) af naar het reactiecentrum. Daar splitst het in een elektron en een positieve lading. Geladen moleculen spelen een rol bij de vorming van energierijke moleculen zoals ATP (adenosinetrifosfaat), die op hun beurt gebruikt worden voor de vorming van vezels en suikers.

In kunstmatige systemen lukte het maar niet om excitonen zulke afstanden te laten overbruggen. Bij lichtgevoelige kleurstoffen geeft een elektron-gat-paar zijn energie na een paar nanometer al weer af, maar dat moet liefst vijftig nanometer worden om de energie te kunnen oogsten. Daarvoor moet het exciton de titaniumdioxide elektrode bereiken, waar het elektron afsplitst en vervolgens deel uitmaakt van de externe stroomkring.

Het verschil tussen kunstmatige en natuurlijke systemen ligt volgens Annemarie Huijser niet in de kleurstoffen, maar in de moleculaire ordening daarvan. Liggen bij bladgroen de chlorofylmoleculen keurig ingebed in eiwitstructuren, bij kunstmatige kleurlagen is de oriëntatie van de moleculen tot nu toe buiten beschouwing gebleven.

Huijser wilde dat veranderen en voorzag het ringvormige porfyrinemolecuul van een positief geladen zinkkern en negatieve zijtakken. Daardoor zoekt de staart van het ene molecuul de kern van zijn buurman op, waardoor spontaan een ordening ontstaat. De moleculen rangschikken zich als damstenen in een te kleine doos: onder een kleine hoek, maar wel onderling parallel. Onder de laser bleken elektronen uit de kleurstof de elektrode te bereiken: gemiddeld twintig procent van de fotonen (lichtdeeltjes) leverde een detecteerbaar elektron op. Door rangschikking van de moleculen wist Huijser de padlengte van de excitonen te verlengen van ongeveer één naar vijftien tot twintig nanometer.

Dat moet vijftig nanometer worden om praktisch toepasbaar te zijn. Die verbetering is volgens Huijser goed haalbaar door het gericht ontwerp van een kleurstofmolecuul. “Dit was een lucky shot, dat is vast niet optimaal.”

Promotor prof.dr. Laurens Siebbeles vertelt desgevraagd dat volgens een voorlopig theoretisch model de padlengte inderdaad aanzienlijk te verbeteren moet zijn. Maar helaas ontbreekt het budget voor een volgende promovendus. Optimalisatie zou kunnen leiden tot een organische zonnecel met een rendement van ongeveer tien procent.

‘Energy transfer dynamics in molecular layers of porphyrin derivatives’, Annemarie Huijser, promotie 25 maart bij prof.dr. L.D.A. Siebbeles.

Gepolariseerd licht toont de zelfordening van kleurstofmoleculen. De geordende domeinen draaien de polarisatie van het licht en worden zichtbaar als gekleurde vlakjes. Niet-geordende domeinen zijn zwart. (Foto: Annemarie Huijser)

++

Zie ook website TU