Lichtgevende polymeren

Smart materials
1
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
1. Kleverige polymeren
Inleiding polymeren
Polymeren bestaan uit lange moleculen, ook wel macromoleculen genoemd. De meeste
polymeren kun je maken uit één eenvoudige grondstof. Een dergelijke beginstof wordt
een monomeer genoemd, het is een klein molecuul. Bij het ontstaan van een
polymeermolecuul worden heel veel monomeermoleculen aan elkaar gekoppeld. Dit geldt
voor alle polymeren of ze nu natuurlijk (wol, zijde, katoen) zijn of dat ze synthetisch
(nylon, polyetheen, polyvinylalcohol) zijn. De synthetische polymeren worden vaak
plastics of kunststoffen genoemd.
Een polymeer krijgt de naam van het monomeer waaruit het is gemaakt, vooraf gegaan
door het woord ‘poly’. Je kunt dus zeggen dat heel veel monomeren samen een polymeer
vormen.
Bouw van polymeren
Een polymeer is opgebouwd uit lange moleculen. Hoe langer het molecuul des te groter
is de aantrekking van de moleculen onderling (vanderwaalsbinding). Deze aantrekking
zorgt ervoor dat het polymeer bij kamertemperatuur een vaste stof is. Is de aantrekking
groot dan is het polymeer ook hard.
2
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Korte polymeermoleculen vormen soepele zachte materialen. De aantrekkingskracht
tussen de moleculen onderling is kleiner. Daarom zijn korte polymeermoleculen
gemakkelijk te vervormen. Lange polymeermoleculen vormen door de grote onderlinge
aantrekkingskracht stevigere en hardere materialen. De lange, met elkaar verstrengelde
polymeermoleculen, zijn vrijwel niet te vervormen, zie figuur 1.
Trekkrachten
Korte polymeermoleculen
kun je gemakkelijk uit
elkaar halen.
Trekkrachten
Lange polymeermoleculen
zijn verstrengeld en heel
lastig uit elkaar te halen.
Figuur 1 Schematische weergave van trekkrachten op korte- en lange
polymeermoleculen.
Hard of zacht
Bij het maken van een kunststof kijken we naar wat we ermee willen doen. Hebben we
een afvoerpijp nodig dan moet die hard en stevig zijn. Kleding moet zacht en lekker te
dragen zijn en speelgoed is soms hard en soms zacht. Afhankelijk van het gebruik maken
we een bepaalde kunststof met de juiste materiaaleigenschappen. We weten inmiddels
dat die eigenschappen te maken hebben met de lengte van de moleculen van het
polymeer.
Laten we eens een polymeermolecuul onder de loep bekijken. Bijvoorbeeld het polymeer
dat PVA (polyvinylalcohol) heet. Dit is een polymeer dat gebruikt wordt in de
lijmindustrie.
Aan het materiaal voegt men een vloeistof toe die uit kleine moleculen bestaat. Deze
kleine moleculen gaan tussen de polymeermoleculen in zitten. Hierdoor zitten de ketens
van het polymeer verder van elkaar af. Dit zorgt ervoor dat de aantrekking tussen de
moleculen zwakker wordt. Hierdoor kunnen de polymeerketens gemakkelijk over elkaar
glijden. Het polymeer is nu zacht en flexibel. Zulke stoffen noemen we weekmakers.
Laten we dit vergelijken met een bord met spaghetti. Als we tomatensaus hebben
toegevoegd glijden de spaghettislierten veel gemakkelijker langs elkaar.
Als we een stijve kunststof willen produceren, moeten we zorgen dat de moleculen van
het polymeer niet over elkaar heen kunnen glijden. We gaan dan uit van een monomeer
dat een polymeer oplevert waarbij een ‘brug’ wordt gelegd tussen de ene en de andere
keten. Als je dan een polymeermolecuul zou kunnen oppakken, neem je uiteraard de
andere die eraan vastzitten mee. Het polymeer wordt nu hard en stevig. De brug tussen
twee ketens noemen we een crosslink (dwarsverbinding).
3
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Figuur 2 Schematische weergave van polymeermoleculen met en zonder
crosslinks.
Thermoharders en thermoplasten
Polymeerketens met veel crosslinks kunnen nauwelijks meer vrij ten opzichte van elkaar
draaien en er vormt zich een “star/stijf” polymeermolecuul. De kunststof noemen we een
thermoharder (thermos is Grieks voor warmte en harder van de eigenschap hard).
Als er geen crosslinks zijn, blijft de kunststof zacht. De ketens kunnen gemakkelijk over
elkaar of langs elkaar glijden. Als we deze kunststoffen gaan verhitten worden ze steeds
zachter tot ze vloeibaar worden, je kunt er dan draden van trekken. Zo’n kunststof
noemen we een thermoplast (thermos is Grieks voor warmte en plast van de eigenschap
plastisch of flexibel).
Slime beter bekeken
Het maken van slime is eigenlijk een gel maken. Een gel bestaat in principe uit twee
verschillende bestanddelen: een vloeistof en een vaste stof. Hij vertoont de
eigenschappen van beide. Als we de gel in een bekertje doen, dan neemt deze de vorm
van het bekertje aan zoals elke vloeistof zou doen. Als we de gel op de grond zouden
laten vallen, kunnen we deze gewoon oprapen. De gel gedraagt zich dan als een vaste
stof.
Om een gel te maken hebben we een polymeeroplossing nodig. Slime wordt gemaakt van
polyvinylalcohol (PVA). Dit is een kleverige stof, die gebruikt wordt als lijm. Met lijm uit
een lijmstift (Action) kun je slime maken.
4
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
De werking van lijm
Action-lijm is een waterige oplossing van polyvinylalcohol (PVA). Als je plaatjes gaat
plakken moet je wachten tot de lijm opgedroogd is. Als het water uit het lijmmengsel
verdampt zullen de polymeermoleculen van het polyvinylalcohol met waterstofbruggen
niet alleen aan elkaar plakken, maar ook aan de cellulosemoleculen van het papier van je
schrift.
Figuur 3: papier met polyvinylalcohol als lijm
De werking van slime
De waterige lijmoplossing kun je mengen met een boraxoplossing. De borax zorgt ervoor
dat er een netwerk van lijm komt die het aanwezige water insluit in holle ruimtes.
PVA bestaat uit lange polymeermoleculen die vrij kunnen bewegen in een oplossing. Als
er boraxoplossing wordt toegevoegd worden er crosslinks gevormd tussen een PVA
molecuul en de borax-ionen en er wordt een slijmerige stof gevormd die op een vaste
stof lijkt. De crosslinks worden bijeen gehouden door waterstofbruggen.
Figuur 4: In slime vormen borax-ionen via waterstofbruggen, de crosslinks tussen de
PVA ketens (versimpeld weergegeven).
5
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Vragen
1. a. Wat zijn de belangrijkste aantrekkingskrachten tussen polymeermoleculen?
b. Leg uit wat het verschil is tussen een thermoplast en een thermoharder.
c. Zoek in Binas tabel 67A3 de structuurformule van cellulose op en leg uit hoe de
waterstofbruggen tot stand komen tussen het papier en de lijm.
2. Geef de structuurformule van het monomeer van polyvinylalcohol.
Polyvinylalcohol
3. Leg met structuurformules uit waarom ethanol goed oplost in water.
Teken 3 moleculen ethanol en 3 moleculen water.
4. Verklaar met behulp van de elektronegativiteit of de volgende moleculen polair of
apolair zijn.
- koolstofdioxide
- ammoniak
- 2-hydroxypropeen
5. Verklaar nu, na bestudering van de theorie, de resultaten van proef 1 en 2.
6. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van kleverige polymeren, die
nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht
dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de
tentoonstelling die je gaat maken.
6
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
2. Elektrisch geleidende polymeren
Elektrische geleiding bij metalen
Elektrische geleiding kan alleen plaatsvinden als er sprake is van bewegende elektrische
lading. Alle metalen geleiden elektrische stroom. Om deze geleiding te kunnen
beschrijven moeten we eerst gaan kijken naar de opbouw van een metaalatoom.
Een metaalatoom is opgebouwd uit positief geladen atoomresten, met daar omheen vrij
bewegende elektronen in verschillende energieniveaus. Metaalatomen hebben volgens
het atoommodel van Bohr weinig elektronen
in de buitenste schil. In de buitenste schil
van een metaalatoom zitten vaak maar 1 of
2 elektronen (zie het periodiek systeem).
Deze elektronen worden bovendien niet erg
stevig vastgehouden, omdat e ver van de
kern zijn verwijderd. We noemen deze
elektronen dan ook vrije elektronen.
De metaalatomen zijn in de vaste stof netjes
gerangschikt in een metaalrooster. Deze
metaalatomen zijn daarbij elektronen uit de
Figuur 5: een metaal met vrije
elektronen
buitenste schil kwijt geraakt, zodat er positief
geladen metaalatomen overblijven.
7
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
De elektronen, die vrij door het metaalrooster kunnen bewegen houden de positief
geladen metaalatomen bijeen. Elektronen kunnen zich nu heel gemakkelijk verspreiden
ten gevolge van een aangelegd spanningsverschil (een batterij of spanningsbron). Bij
stroomgeleiding verplaatsen deze ‘vrije elektronen’ zich door het metaalrooster.
De elektrische geleiding bij polymeren
Bij isolatoren, zoals de meeste plastics (polymeren), zijn de buitenste schillen van de
elektronen helemaal gevuld. Er is geen mogelijkheid voor de elektronen om te bewegen
en er kan dus geen stroom lopen.
Waarom kunnen bepaalde soorten polymeren dan toch de stroom geleiden?
Om antwoord op deze vraag te geven moeten we eerst de bouw van polymeren nader
bezien. Zoals je al eerder hebt geleerd zijn polymeren macromoleculen. Elk
macromolecuul is opgebouwd uit bouwstenen, die monomeren worden genoemd. Een
grote groep van stoffen waarvan de moleculen bruikbaar zijn als monomeren zijn de
alkenen.
Alkenen, een korte uitbreiding op je kennis
De soorten bindingen in alkenen.
In een etheenmolecuul zit tussen de koolstofatomen een dubbel elektronenpaar. We
spreken in zo’n geval van een dubbele binding en geven dit als volgt weer:
H
H
\
/
C=C
of CH2 = CH2
/
\
H
H
etheen
en CH2 = CH – CH3 is propeen
Bij een enkele binding zijn twee elektronen betrokken. Zoals je weet is een streepje
tussen twee atomen een gemeenschappelijk elektronenpaar en dit elektronenpaar vormt
een atoombinding. Het gemeenschappelijk elektronenpaar plaatst zich tussen de twee te
binden C-atomen en dat noemen we ook wel een zogenaamde σ-binding (sigmabinding).
Een dubbele binding tussen twee C-atomen bevat echter twee bindingen. In een dubbele
binding is één van de twee bindingen ook een σ-binding, de andere is een zogenaamde
π-binding (pi-binding), en de twee elektronen van het gemeenschappelijk elektronenpaar
worden π-elektronen (pi-elektronen) genoemd. De π-elektronen bevinden zich niet
tussen de twee atomen in, maar in een ruimte boven en onder de binding zoals
onderstaande figuur van het molecuul etheen laat zien.
De zes atomen (2 C-atomen en 4 H-atomen) liggen in een plat vlak samen met de 5
enkelvoudige atoombindingen (de σ-bindingen). De π-binding tussen de twee C-atomen
ligt gedeeltelijk boven en gedeeltelijk onder het vlak in de vorm van halters. Door de
overlap aan de bovenkant en aan de onderkant van halters vormen deze
elektronenwolken als het ware een extra binding en dit noemen we de tweede binding,
ofwel de dubbele binding, ofwel π-binding. Deze elektronen zijn zwakker gebonden aan
beide C-atomen en dus is dit een zwakkere binding dan de σ-binding.
8
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Figuur 6: molecuulmodellen van etheen. De pijltjes in het rechtplaatje geven elektronen
weer.
Een dubbele binding kan niet alleen tussen C-atomen, maar ook tussen andere atomen
voorkomen. Zo bestaat het zuurstofmolecuul uit twee zuurstofatomen die met een
dubbele binding aan elkaar gebonden zijn. Ook combinaties van verschillende atomen
kunnen een dubbele binding hebben. Zie ook voor een animatie in het Engels de
volgende link:
http://users.skynet.be/eddy/sigmapi.html
Aromaten
Een groep van cyclische koolwaterstoffen zijn de aromaten. Stoffen die tot de aromaten
behoren, bevatten een zogenaamde benzeenring: C6H6.
Hier is sprake van een ringvormige verbinding met drie dubbele bindingen. De π
elektronen van deze drie dubbele bindingen bevinden zich niet vast tussen twee Catomen, maar vormen een bindende elektronenwolk in het midden van de ring
koolstofatomen. Daarom zeggen we dat de π-elektronen gedelokaliseerd zijn, dat wil
zeggen: niet aan een bepaalde plaats gebonden. Symbolisch worden de drie π-bindingen
daarom ook wel met een rondje aangegeven.
Figuur 7: structuurmodellen van benzeen
Als de benzeenring een zijgroep van een groter molecule is, dan noemt men de
benzeenring een fenylgroep (molecuulformule dus dus C6H5 –).
Tabel 1: naamgeving
naam
benzeen
methylbenzeen of tolueen
fenyletheen of styreen
structuurformule
C6H6
C6H5 – CH3
C5H5 – CH = CH2
9
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Vragen
7. Geef de systematische naam bij onderstaande structuurformules:
a.
H2
H
C
C
H3C
C
CH3
H
b.
H
C
C
H
CH3
c.
H
C
H
C
H3C
C
H
CH3
C
H
d.
HC
CH2
HC
CH
C
H2
CH3
C
H2
e.
H2
C
H 2C
CH2
H 2C
CH2
C
H2
Additiereactie bij alkenen
Alkenen kunnen gemakkelijk met andere stoffen reageren. Als bijvoorbeeld etheen
reageert met broomwater, ontstaat 1,2 – dibroomethaan.
H
H
H
C
H
H
+
C
H
Br
Br
H
C
H
+
C
H
H
H
Br
C
Br
C
Br
Br
H
Eén van de twee gemeenschappelijke elektronenparen in de dubbele binding van etheen
kan ‘open springen’. Bij bovenstaande reactie wordt de π-binding van etheen gebroken in
twee losse elektronen. Het is ‘de zwakste schakel’ in het molecuul. Hierdoor kunnen de
beide koolstofatomen ieder een ander atoom aan zich binden.
10
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Dit noemen we een additiereactie. Adderen komt uit het Latijn en betekent toevoegen.
Broom wordt als het ware aan etheen toegevoegd en er ontstaat één nieuw molecuul.
Behalve broom kunnen bijvoorbeeld ook fluor, chloor, jood, waterstof en water worden
geaddeerd aan alkenen.
Vraag
8. Geef de reactievergelijking van de onderstaande reacties en gebruik voor alle stoffen
structuurformules.
a. Waterstofgas reageert met propeen tot propaan.
b. Waterdamp (voorgesteld door H – OH) wordt geaddeerd aan propeen.
c. Hoeveel reactieproducten kunnen er ontstaan?
Polyadditiereactie
Bij een hoge temperatuur en een grote druk kan in etheen de π binding openspringen,
waarbij de moleculen zich aan elkaar rijgen tot een enorm lang molecuul van duizenden
eenheden of monomeren. Dit noemen we een polyadditiereactie. We spreken hier van
polyetheen. (toepassingen zijn boterhamzakjes, afwasbakken enz).
H
H
C
H
H
C
H
C
H
H
H
+
C
H
H
C
H
H
C
C
H
H
H
H
C
C
H
H
H
C
H
Vragen
9. Propeen kan polymeriseren tot polypropeen.
a. Teken de structuurformule van propeen zodanig dat alleen de dubbele binding
horizontaal wordt getekend.
b. Teken een stuk van de structuurformule van polypropeen bestaande uit drie
monomeren.
c. Geef de structuurformule van 1-buteen.
d. Teken een stuk van de structuurformule van poly-1-buteen bestaande uit drie
monomeren.
10. Leg uit waarom polyetheen geen elektrische stroom geleidt.
11. Acetyleen of ethyn (C2H2) heeft een drievoudige binding tussen de atomen:
Bij polymerisatie klapt één π-binding open, waarbij één dubbele binding overblijft.
Teken een stukje van dit polymeer, opgebouwd uit drie monomeren in
structuurformule.
11
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Hoe kunnen polymeren elektrische stroom geleiden?
Elektrische geleiding bij polymeren treedt op wanneer er sprake is van een geconjugeerd
systeem in ene polymeermolecuul. Een geconjugeerd systeem betekent dat dit soort
polymeermoleculen om en om een dubbele en een enkele binding tussen de
koolstofatomen hebben. Zie het onderstaande voorbeeld. In plaats van de
structuurformule met C- en H-atomen gebruiken we een zogenaamde verkorte
schrijfwijzen, waarbij alleen de bindingen tussen de C-atomen zijn aangegeven. De Hatomen worden weggelaten.
Figuur 8: Model geconjugeerd systeem in een polymeermolecuul
Vragen
12. Leg uit dat het in vraag 1 verkregen polymeer een geconjugeerd systeem vormt.
13. Propyn kan ook polymeriseren. Teken in structuurformule een stukje van het
polymeer polypropyn, opgebouwd uit drie monomeren.
14. Leg uit of polypropyn een geconjugeerd systeem heeft.
15. Geef het deel van polypropyn uit vraag 13 weer in de verkorte schrijfwijze.
De π elektronen in de dubbele bindingen in een geconjugeerd systeem bevinden zich als
het ware in een band van elektronenwolken aan de boven en aan de onderkant van de
koolstofketen. In principe kunnen deze π-elektronen niet vrij bewegen.
Door nu, met behulp van bijvoorbeeld een batterij, een spannigsverschil aan te leggen
tussen het begin en het eind van een polymeer, kunnen de π-elektronen, door het
‘omklappen’ van de dubbele bindingen naar het naastgelegen atoom, door het molecuul
gaan bewegen.
+
Figuur 9: De π elektronen bewegen vrij door een polymeermolecuul
Dit principe van het omklappen van de dubbele bindingen is de oorzaak van de
stroomgeleiding in deze polymeren.
Vraag
16. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van geleidende polymeren, die
nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht
dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de
tentoonstelling die je gaat maken.
12
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
3. De lichtgevende polymeren
Fluorescentie: grondtoestand en aangeslagen toestand.
Wil je het licht geven van stoffen en dus ook van LED’s en polymere LED’s kunnen
verklaren, dan moet je eerst weten wat het begrip fluorescentie (het lichtgeven van
stoffen) inhoudt.
Om te begrijpen hoe stoffen licht kunnen geven moeten we kijken hoe stoffen zijn
opgebouwd en hoe ze reageren op licht (energie). Volgens het atoommodel van Bohr
bevinden zich in de kern van een atoom de protonen en de neutronen en om de kern zijn
een aantal vaste banen (schillen) waarin de elektronen bewegen. Je kunt ook zeggen dat
in normale toestand de elektronen rond de kern regelmatig verdeeld zijn over de
beschikbare schillen. Dit noemen we de grondtoestand.
Als er UV-licht op het atoom valt kunnen de elketronen de energie van het licht opnemen
en daardoor verplaatst worden naar een schil die verder van de kern verwijderd is. Een
elektron dat op deze manier is verplaatst, bevindt zich in de aangeslagen toestand. De
aangeslagen toestand is geen stabiele toestand en na verloop van tijd zullen de
elketronen in de aangeslagen toestand weer terugvallen naar de grondtoestand, dus naar
de schil waar ze zich eerst bevonden.
Bij dit terugvallen, komt er een hoeveelheid energie vrij die overeenkomt met de energie
die nodig was om het elektron naar de betreffende verder gelegen schil te brengen. Deze
energie komt vrij in de vorm van warmte en licht, licht dat door het atoom wordt
13
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
uitgestraald. Omdat een deel van de opgenomen energie vrijkomt als warmte heeft het
licht dat ontstaat een grotere golflengte dan het opgenomen UV-licht. Het is nu zichtbaar
licht geworden, waarbij allerlei kleuren mogelijk zijn.
Dit verschijnsel, het uitstralen van licht door een atoom, wordt fluorescentie genoemd.
Figuur 10: UV-licht valt op het elektron, dit raakt in de aangeslagen toestand en valt
daarna onder het uitzenden van licht terug naar de grondtoestand
De opbouw en de werking van een polymere LED
Een polymere LED (OLED) bestaat uit drie laagjes: Het onderste laagje is een metaal
elektrode (min pool). Het middelste laagje is een speciaal soort polymeer en de toplaag
is een transparante (licht doorlatende) electrode (plus pool). Hier bovenop kan nog een
laagje komen om het af te dekken en om de OLED te beschermen.
Figuur 11: een model van een polymere LED
Het licht geven geschiedt in de volgende 5 stappen:
1. Door de polymere LED aan te sluiten op een spanningsbron worden elektronen door
de negatieve metaalelektrode gestuurd. Deze elektronen bevatten meer energie dan
elektronen in de grondtoestand. Er loopt nu dus stroom van de negatieve
metaalelektrode via het speciale polymeer naar de positieve elektrode.
2. De elektronen verlaten de min pool en komen in aanraking met het deel van het
polymeer, dat een geconjugeerd systeem bezit. De π-elektronen in het geconjugeerde
systeem van de polymeer verplaatsten zich nu over de polymeermoleculen in het
polymeer.
14
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
3. Als een π-elektron zich verplaatst blijft er een positief gat achter. Het atoom waar het
elektron bij hoort heeft nu immers een elektron te weinig. De elektronen die vanuit
de spanningsbron het polymeer in gaan, vallen in zo’n positief gat.
4. De elektronen die in een positief gat terechtkomen, vallen vervolgens snel terug naar
de grondtoestand en zenden de vrijgekomen energie uit in de vorm van zichtbaar
licht. De kleur van het licht is afhankelijk van de soort polymeer moleculen in de
OLED. Fabrikanten plaatsen meerdere soorten polymeermoleculen in lagen om
kleuren OLED displays te maken.
5. Het zichtbare licht verlaat de polymere LED via het bovenste transparante laagje. Je
ziet nu gekleurd licht.
Figuur 12: een polymere LED zendt licht uit als een elektron in een positief gat valt
Dit proces gebeurt niet alleen op één plaats, maar dit gebeurt op het hele oppervlakte
van de polymere LED. Op elke vierkante centimeter van een LED gebeurt dit
1.000.000.000.000.000 keer (dit is 1015, heel vaak dus) per seconde!!
Vragen
17. Maak een schematische voorstelling van de hierboven beschreven 5 stappen en
vergelijk dit met de PPT die je docent laat zien. Verbeter je eigen voorstelling indien
nodig.
18. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van lichtgevende polymeren,
die nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt
verwacht dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de
tentoonstelling die je gaat maken.
15
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
3. Organische zonnecellen
Silicium zonnecellen
Moderne zonnecellen worden gemaakt van een silicium-halfgeleider die onder invloed van
licht een elektrische stroom kan leveren. Hoe werkt dat? Laten we eerst eens kijken naar
het silicium. Silicium staat het periodiek systeem in dezelfde groep als koolstof. Silicium
heeft net als koolstof covalentie vier. Dat betekent dat het vier valentie-elektronen heeft
en dus vier bindingen aan kan gaan. We zeggen dat silicium vier valentie elektronen
heeft.
Als silicium in vaste toestand een kristalrooster vormt is elk siliciumatoom door vier
andere siliciumatomen omringd. Elk atoom heeft dus vier bindingen gevormd. De
elektronen zitten dan zo stevig tussen de atomen in de atoombinding dat dat ze niet voor
geleiding kunnen zorgen:
een kristal zuiver silicium geleidt bijna geen stroom.
Dat verandert als een heel klein deel (1:100.000) van de siliciumatomen vervangen
worden door een atoom met een extra valentie-elektron, zoals fosforatomen. Fosfor heeft
5 elektronen in de buitenste schil, dus 5 valentie elektronen. Fosfor gebruikt in het
kristalrooster van silicium echter maar 4 valentie elektronen. Per fosforatoom is er dan
een elektron dat niet bij een binding betrokken is. Dat elektron is dan beschikbaar voor
geleiding. Silicium, waar fosfor atomen in voorkomen wordt n-geleidend genoemd.
16
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Een andere manier om silicium geleidend te maken, is door weer een klein deel
(1:100.000) van de siliciumatomen te vervangen door een atoom met een valentieelektron minder, bijvoorbeeld booratomen. Boor heeft maar drie valentie-elektronen in
de buitenste schil. Ook die passen mooi in het kristal, met rond elk atoom vier andere
atomen. Maar per booratoom is er nu een elektron te weinig voor binding. Dat wordt een
gat genoemd. Elektronen in het kristal kunnen zich nu van gat tot gat verplaatsen. Zulk
silicium wordt p-geleidend genoemd.
Figuur 13: Model van een siliciumkristal
silicium zonnecel
Figuur 14: Schematische weergave
In een siliciumzonnecel wordt een stukje n-geleidend silicium tegen een stukje pgeleidend silicium gezet. In het raakvlak zullen de elektronen uit het n-geleidend silicium
de gaten in het p-geleidend silicium vullen.
Hierdoor ontstaat in het n-geleidende deel een tekort aan elektronen (wordt dus positief
geladen) en in het p-geleidende deel een overschot aan elektronen en dus negatief
geladen.
Dit proces gaat niet zomaar en moet als het ware op gang gebracht woden door
(zon)licht. Onder invloed van de energie van het zonlicht zullen elektronen uit de n-laag
gaan bewegen naar het p-geleidende deel. Zo ontstaat dan een potentiaalverschil tussen
de twee lagen.
Organische zonnecellen
Figuur 15: fotosynthese
17
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
Dagelijks zien we in de natuur de meest fantastische zonnecellen, bijvoorbeeld groene
spinazie, algen, peterselie en de groene bladeren van de bomen. Met behulp van de
fotosynthese leggen zij allemaal zonne-energie vast en vormen daarbij glucose (een
koolhydraat), waaruit belangrijke grond- en voedingsstoffen worden gevormd. De hierin
opgeslagen chemische energie komt vrij als die voedingsstoffen in ons lichaam verwerkt
worden of als we een stuk hout verbranden.
Zou het mogelijk zijn om spinazie te gebruiken en dat met behulp van zonlicht om te
zetten in elektrische energie? Is het echt mogelijk om met deze natuurstoffen een
zonnecel te bouwen? Het antwoord kwam in 1991 van de Zwitserse professor Michael
Grätzel, de ontdekker van de ‘kleurstofzonnecel’ ook wel Grätzel-cel of organische
zonnecel genoemd.
Werking van de organische zonnecel
Ook bij de organische zonnecel of Grätzel-cel zorgt de energie van het zonlicht ervoor dat
elektronen in beweging komen.
Een kleurstofzonnecel werkt op basis van een halfgeleider, in dit geval titaal(IV)oxide. De
elektronen in titaan(IV)oxide bevinden zich normaal gesproken in de grondtoestand.
Zonlicht kan door lichtenergie een elektron naar een hoger energieniveau brengen, de
aangeslagen toestand. Dit proces noemen we exciteren. Het probleem is alleen dat er
voor die excitatie heel veel energie nodig is, omdat het energieverschil tussen de
grondtoestand en de aangeslagen toestand van de elektronen in titaan(IV)oxide heel
groot is.
Het grote verschil tussen de energieniveaus is te zien in figuur 18 (zie de grijze balkjes).
Zonlicht heeft niet genoeg energie om het elektron te exciteren. Het elektron zal dus niet
naar de aangeslagen toestand worden gebracht, maar in de grondtoestand blijven.
Functie kleurstof
Figuur 16: schematisch doorsnede van een kleurstofzonnecel
Dit probleem kan opgelost worden door kleurstof toe te voegen aan de zonnecel. In de
kleurstof is het energieverschil tussen de grondtoestand en de aangeslagen toestand van
de elektronen veel kleiner dan bij titaan(IV)oxide. (zie paarse balkjes van figuur 17.
Zonlicht heeft wel genoeg energie om in de kleurstof een elektron naar de aangeslagen
toestand te brengen.
Het energieniveau van de aangeslagen toestand van het elketron in de kleurstof ligt,
zoals te zien is in figuur 17, hoger dan het energieniveau van de aangeslagen toestand
van titaan(IV)oxide. De afstand tussen de kleurstofmoleculen en de
titaan(IV)oxidemoleculen is heel klein. Het elektron dat geëxciteerd is naar de
aangeslagen toestand van de kleurstof, zal terugvallen naar een energetisch gunstiger
(en dus lager) energieniveuo.
Er zijn twee mogelijkheden om terug te vallen: terug naar de grondtoestand van de
kleurstof, of naar de aangeslagen toestand van de titaandioxide. De hoeveelheid
elektronen die vanuit de aangeslagen toestand van de kleurstof naar de aangeslagen
18
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
toestand van de titaan(IV)oxide overspringt en niet terugvalt naar de grondtoestand van
de kleurstof, bepaalt het rendement van de kleustofzonnecel.
Figuur 17: schematische weergave van de werking van een kleurstofzonnecel
verbruike
r
elektronen
(stroom)
Licht
(fotonen)
19
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie
De stroomkring
Het elektron dat vanuit de aangeslagen toestand van de kleurstof naar de aangeslagen
toestand van de titaa(IV)oxide is gesprongen, zal terugvallen naar de grondtoestand van
het titaan(IV)oxide. Dit is het eerste deel van de stroomkring in de zonnecel.
Door het overspringen van een elektron van de kleurstof naar het titaan(IV)oxide,
ontstaan er een ladingsverschil: het titaan(IV)oxide wordt negatief geladen en de
kleurstof wordt positief geladen. Om dit ladingsverschil op te heffen, moet er weer een
elektron terug naar de kleurstof. Dit elektron kan niet rechtstreeks terug naar de
kleurstof, omdat het verschil tussen de energieniveaus van titaan(IV)oxide dan
overbrugd moet worden: het elektron bevindt zich namelijk in de grondtoestand van
titaan(IV)oxide en zou dan via de aangeslagen toestand van titaan(IV)oxide weer
geëxciteerd moeten worden naar de grondtoestand van de kleurstof, maar hiervoor is
heel veel energie nodig, dus dat zal niet gebeuren. Daarom gaat het elektron via een
extern circuit (bijvoorbeeld een lampje) naar de positieve elektrode. Via het elektrolyt
gaat het elektron weer terug naar de kleurstof: In het elektrolyt vindt onderstaand
ereactie plaats (zie figuur 17), wardoor het elektron weer terug kan naar de kleurstof:
Bij de kleurstof verloopt de omgekeerde reactie en wordt 2I- weer I2 en wordt het
elektron weer terug gegeven aan de kleurstof.
Zo is de stroomkring gesloten en is de energie, die ontstaan was bij het terugvallen van
het elektron naar de grondtoestand van het titaan(IV)oxide, nuttig gebruikt om
bijvoorbeeld een lampje te laten branden.
Vraag
19. Ga naar het internet en zoek een aantal toepassingen van organische zonnecellen, die
nu al in gebruik zijn. Zoek ook naar een paar toepassingen, waarvan wordt verwacht
dat deze in de nabije toekomst bruikbaar zijn. Gebruik deze informatie in de
tentoonstelling die je gaat maken.
20
Stercollectie Scheikunde| Smart Materials v456 | Theorie