Sluitstuk | Plastic zonnecellen onder het vergrootglas

Kunststof dakpannen, autospoilers of gekleurde dakramen. Plastic zonnecellen zijn door hun flexibiliteit op meerdere manieren inzetbaar en bovendien makkelijker te fabriceren dan de standaard silicium zonnecellen. Omdat de levensduur een stuk korter is, onderzocht scheikundige Zino Leijten onder de elektronenmicroscoop door welke processen de plastic zonnecel minder efficiënt wordt.

Flexibeler, dunner, lichter, goedkoper en makkelijker te maken. Dankzij de vele voordelen was er begin deze eeuw veel aandacht voor de plastic zonnecel en was er zelfs even sprake van een heuse hype. Maar waar verwacht werd dat ze de concurrentie aan zouden gaan met de silicium zonnecel, zijn ze door een lagere efficiëntie en kortere levensduur nog steeds geen gangbare optie.

Potentie

Toch zit er zeker potentie in de polymere zonnecel, meent Zino Leijten. Jarenlang maakte hij detailbeelden van het binnenste van deze zonnecellen; deze week promoveert hij aan de faculteit Scheikundige Technologie. “We zien dat polymere zonnecellen snel degraderen en hun efficiëntie verliezen. Om daar iets aan te kunnen doen, moeten we eerst achterhalen wat er zich precies afspeelt in de zonnecel. Aan de hand daarvan kunnen we het productieproces verbeteren of overstappen naar andere materialen.”

Plastic zonnecellen werken iets anders dan ‘gewone’ zonnecellen, legt Leijten uit. “Ze bestaan uit een mix van twee verschillende materialen - een donor en acceptor - vaak fullereenderivaten. In tegenstelling tot ‘normale’ zonnecellen, waar elektriciteit gegenereerd wordt in één materiaal - meestal silicium - wordt er in plastic zonnecellen op het grensvlak van donor en acceptor stroom gegenereerd door het vormen van een elektron en een zogenoemd gat. Dit grensvlak is daarom heel belangrijk voor de efficiëntie van plastic zonnecellen. Kleine veranderingen door reacties met bijvoorbeeld water en zuurstof uit de lucht kunnen een groot effect hebben op die efficiëntie.”

Leijten gebruikte een speciale elektronenmicroscopie-techniek, Electron Energy Loss Spectroscopy, om op nanoschaal degradatie op dat grensvlak in de zonnecel te bestuderen. “Door met hoge energie een elektronenbundel door de materialenmix te sturen, kunnen we de interactie van deze elektronen met het materiaal zichtbaar maken en achteraf met een nieuwe rekenmethode de concentratie zuurstof en water in de verschillende materialen bepalen.”

Degradatieproces

Vaak was Leijten met zijn samples te vinden bij de Eindhovense elektronenmicroscoopfabrikant Thermofischer Scientific, waar hij gebruik kon maken van state-of-the-art apparatuur. “Daardoor konden we ook kijken naar de optische eigenschappen van de materialen tijdens het degradatieproces. Die eigenschappen zagen we al veranderen nog voordat de zonnecel überhaupt was blootgesteld aan uv-licht, alleen al door de aanwezigheid van zuurstof en water. Heel belangrijk dus om de plastic zonnecellen zuurstof- en watervrij te produceren én te bewaren. Nog beter zou het zijn om een nieuwe materialenmix te ontwikkelen die hier minder gevoelig voor is. Het mooie is dat onze techniek heel breed inzetbaar is. Ook deze nieuwe materialen kunnen zo dus uitgebreid getest worden.”

Na een tijd van pionieren kan Leijten nu als postdoc de door hem opgezette technieken in zijn vakgroep gangbaar gaan maken. Ondertussen kijkt hij verder en wil graag een bijdrage leveren aan de energietransitie. Want na al het onderzoek wacht de toepassing.

Deel dit artikel via je socials