Je kunt ook een leerlingenpakker bestellen

Technologie: Groene stroom uit bramensap
Introductie
Dagelijks zien we in de natuur de meest fantastische zonnecellen, bijvoorbeeld groene
groenten zoals spinazie, peterselie, de groene bladeren aan bomen en algen. Met behulp
van fotosynthese, zetten ze allemaal zonne-energie om in voor het leven zo belangrijke
grond- en voedingsstoffen.
Waarom zouden we dan niet spinazie met wat zonlicht gebruiken om elektrische stroom
op te wekken?
Het antwoord op deze vraag komt van de 'nanokristallijne kleurstof zonnecel', ook wel
'organische' of Grätzel-cel genoemd, naar de ontdekker professor Michael Grätzel. Dit
nieuwe type zonnecel slaat de fotosynthese over en zet zonlicht direct in stroom om. Dit
wordt het fotovoltaïsch proces genoemd.
Het hart van deze zonnecel bestaat, net zoals bij het bladgroen van planten, uit
kleurstofmoleculen. De beste tot nu toe bekende natuurlijke kleurstoffen zijn
'Anthocyanen'. Deze vind je bijvoorbeeld in bramen, frambozen, kersen en
hibiscusbloemen. Om een efficiënte omzetting van zonlicht in stroom te krijgen is het
echter beter een synthetische kleurstof te gebruiken.
Deze synthetische kleurstof wordt gebruikt bij de commerciële ontwikkeling van dit
nieuwe type zonnecel in het laboratorium. De werking hiervan wordt in het onderdeel
“Werkingsprincipe” uitgelegd.
Man Solar is tot de ontdekking gekomen dat de werking van zonnecellen en de
mogelijkheden van zonne-energie met dit type zonnecel fantastisch tot leven komen.
Man Solar stelt zich tot doel deze geniale kleurstof zonnecel zo breed mogelijk te
verspreiden. De bestanddelen van de Grätzel-cel zijn zo aangepast dat met behulp van
hibiscusbloemen, het titaandioxide “uit tandpasta”, potlood, jodium en elektrisch
geleidend glas iedereen zijn eigen zonnecellen kan maken.
Uit houdbaarheidsoverwegingen bevat het pakket gedroogde hibiscusbloemen (thee).
Fotosynthese: De fundamentele stofwisselingsreacties van chlorofyl houdende
organismen (planten, algen). Kooldioxide (CO2) en water (H2O) worden met de energie
van het zonlicht omgezet in chemische energie (in de vorm van glucose) en zuurstof.
PV (Photo-Voltaïsch): De directe omzetting van zonlicht in elektrische energie. Het
Oudgriekse woord 'Photo' staat daarbij voor licht. 'Voltaïsch' komt van de naam van de
Italiaanse wetenschapper Alessandro Volta. Naar hem is ook de eenheid Volt voor
elektrische spanning vernoemd.
Het werkingsprincipe van de kleurstof zonnecel
Alvorens in te gaan op het werkingsprincipe van de kleurstofzonnecel volgen hier enkele
belangrijke begrippen:
TCO
Transparent Conductive Oxide, transparant geleidende tinoxide coating, een
dunne coating die elektrisch geleidend is zoals een metaaldraad. De TCOcoating is slechts op een zijde van het glas aanwezig. Het grootste deel van
het zichtbare zonlicht passeert het glas met TCO laag met een beperkt
verlies.
Foton
Lichtdeeltje,waarvan de energie afhangt van de golflengte (kleur) van het
licht.
Biologie | Leven van de zon HAVO | Artikel
Technologie: Groene stroom uit bramensap
Electron
Titaan
dioxide
Elektrolyt
Ion
Grafiet
Elementair negatief geladen deeltje dat onderdeel is van een atoom, het
heeft een negatieve lading. Een elektrische stroom wordt veroorzaakt door
elektronen die zich in één richting door een elektrische geleider verplaatsen
van de negatieve naar de positieve pool van de stroombron (een batterij of
een zonnecel)
Mineraal dat veel gebruikt wordt als wit pigment in bijvoorbeeld verf,
tandpasta, pillen en vele andere toepassingen.
Elektrisch geleidende vloeistof, ionen i.p.v. electronen zorgen hierin voor de
geleiding.
Atoom dat een of meerdere elektronen mist of teveel heeft en daardoor een
positieve of negatieve lading heeft. Afgeleid van het Grieks, ion betekent
“zwerven”.
Kristallijn koolstof dat electriciteit geleidt en functioneert als katalysator.
De kleurstof zonnecel bestaat uit een dun laagje (ca. 10 mm) willekeurig gestapelde
titaandioxide deeltjes (grootte ca. 20 nm) waaraan organische kleurstofmoleculen
gehecht zijn. De titaandioxide deeltjes vormen een driedimensionaal netwerk dat stroom
kan geleiden als het belicht wordt. Dit laagje wordt aangebracht op een ondergrond dat
bestaat uit een glasplaatje met een transparante electrisch geleidende coating, TCO.
Deze coating is van tevoren op het glas aangebracht en is essentieel om de door de
zonnecel geproduceerde stroom naar een stroomverbruiker, bijvoorbeeld een
rekenmachine, te kunnen transporteren. Dit glasplaatje met gekleurde titaandioxide erop
wordt de foto-electrode genoemd en dit is de negatieve pool van de zonnecel. Om de
zonnecel compleet te maken is ook een tegen-elektrode nodig en een elektrolytvloeistof.
Hierover straks meer.
Het omzetten van licht in elektriciteit werkt in de kleurstof zonnecel als volgt: een
kleurstofmolecuul vangt een minimale hoeveelheid licht op. De energie in dit licht wordt
overgedragen op een elektron uit het kleurstofmolecuul en vervolgens wordt dit elektron
uit zijn vaste verband vrijgemaakt. Dit vrije elektron heeft nu voldoende energie om door
het titaandioxide te gaan bewegen, via het TCO op het glas en de aangesloten
koperdraadjes naar de verbruiker. Om een elektrische stroom te laten lopen moet er
altijd een gesloten stroomkring zijn. Dat wil zeggen dat de elektronen, nadat ze in een
verbruiker hun energie hebben afgestaan, ook weer terug moeten keren naar de plek
waar ze vandaan komen. Om dit voor elkaar te krijgen is naast de foto-elektrode, die
elektronen afstaat, een tegen-elektrode nodig (de positieve pool van de zonnecel), die
elektronen opneemt, en een elektrolytvloeistof. De tegen-elektrode neemt elektronen
van de verbruiker op en draagt ze over op de ionen in de elektrolytvloeistof.
Biologie | Leven van de zon HAVO | Artikel
Technologie: Groene stroom uit bramensap
Om dit proces voldoende snel te laten verlopen is een katalysator nodig. Dit is een laagje
grafiet uit potlood, aangebracht op een stukje glas met transparant geleidende coating.
De ‘opgeladen’ ionen op hun beurt zwerven door de elektrolytvloeistof in de poriën van
het titaandioxide netwerk totdat ze een kleurstofmolecuul tegenkomen dat een elektron
heeft afgestaan. Het ‘opgeladen’ ion draagt dan een elektron over aan de kleurstof,
waarmee de stroomkring gesloten is en het proces van licht omzetten in elektriciteit
opnieuw kan beginnen.
De kleurstof zonnecel is uitgevonden in de groep van prof. Michael Grätzel in Zwitserland
en wordt ook vaak Grätzel-cel genoemd. Na de ontdekking in 1991 [1] werd in veel
onderzoekslaboratoria al snel gezocht naar natuurlijke alternatieven voor de synthetische
kleurstof [2] en werd ook de educatieve waarde hiervan ontdekt. Bij het ECN [3] wordt
sinds 1995 vooral aan de technologische aspecten van kleurstof zonnecellen gewerkt.
Een kleurstof zonnecel vervaardigd bij het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN).
Referenties

1. B. O'Regan, M. Grätzel, Nature 353, 737-739 (1991).

2. A. Kay, M. Grätzel, J. Phys. Chem. 97, 6272 (1993).

3. www.ecn.nl
Bron: http://www.mansolar.nl/technology?___store=nederlands&___from_store=default
Biologie | Leven van de zon HAVO | Artikel
Technologie: Groene stroom uit bramensap