Nieuwe kleurstof biedt perspectief op betere Grätzel

Nieuwe kleurstof biedt perspectief op betere Grätzel-zonnecellen
kennislink.nl, 2008
Onderzoek aan de Universiteit Utrecht heeft aan het licht gebracht dat een nieuwe klasse verbindingen zeer
geschikt is voor het absorberen van zonnestraling in kleurstofzonnecellen. Deze cellen zijn relatief goedkoop
te produceren, maar behalen nu nog geen echt hoge rendementen. Sipke Wadman, die vorige week vrijdag aan
de Universiteit Utrecht promoveerde, heeft laten zien dat zogehetenringgemetaleerde verbindingen daar
verandering in kunnen brengen.
Omdat ze in staat zijn lage, rode frequenties van het zonlicht op te nemen kunnen de door Wadman ontwikkelde nieuwe
kleurstoffen méér zonlicht in elektriciteit omzetten dan de gebruikelijke kleurstoffen. Daarnaast zijn ze veel stabieler.
In het laboratorium van de uitvinder van dit type zonnecel, de Zwitser Michael Grätzel, zijn met het nieuwe type kleurstof al
zonnecellen gemaakt met een efficiëntie van tien procent. Dat is vergelijkbaar met de beste Grätzel-cellen van dit moment. Maar
er zit nog veel méér in het vat als het lukt zogenaamde twee-foton absorptie te realiseren. Sipke Wadman legt uit dat zijn
onderzoek dáár om begonnen was.
De kleurstofzonnecel is opgebouwd rond minuscule deeltjes titaandioxide (ca. 20 nm in doorsnede) waaraan organische
kleurstofmoleculen gehecht zijn. Het zonlicht maakt elektronen vrij uit de kleurstofmoleculen, die daardoor in geoxideerde toestand
komen. De elektronen stromen vervolgens via de titaandioxide deeltjes (die een driedimensionaal geleidend netwerk vormen) naar de
negatieve elektrode van de zonnecel. Via de externe stroomkring kunnen ze een lamp laten branden of anderszins elektrische energie
leveren, om vervolgens weer terug te keren naar de positieve elektrode van de zonnecel. Om de stroomkring te sluiten brengen ionen
van een opgelost elektrolyt de elektronen van de positieve elektrode naar de geoxideerde kleurstofmoleculen. Deze komen dan terug in
hun normale toestand, waarna het proces weer opnieuw kan beginnen.
"Alle zonnecellen werken op basis van het principe dat je elektronen uit het materiaal met zonlicht extra energie geeft", legt
Wadman uit. "Het pompt de elektronen als het ware naar een hoger energieniveau. Dat heeft wel wat weg van het verpompen
van water uit een polder. Als je maar over één molen beschikt dan is er een limiet aan het hoogteverschil dat je kunt
overbruggen. Maar zet je er nu een paar achter elkaar, dan kun je ook hele diepe polders leegmalen. Zo is het ook met het
vergroten van het elektrische spanningsverschil bij zonnecellen. Bij vaste-stof-zonnecellen, zoals siliciumcellen, kun je dat doen
door verschillende laagjes op elkaar te stapelen die elk een ander deel van het spectrum absorberen. Bij kleurstofzonnecellen heb
je kleurstoffen nodig die de elektronen als het ware aan elkaar doorgeven en steeds meer energie geven. Dat noemen we
'stapsgewijze twee-foton absorptie'. Met de verbindingen die ik heb onderzocht zou het mogelijk moeten zijn dat principe toe te
passen."
Links een animatie van de werking van een gewone kleurstofzonnecel, waarbij één foton (hv) wordt geabsorbeerd. Bij het twee-foton
principe (rechts) wordt het elektron over een grotere energetische afstand 'opgepompt', waardoor het vermogen van de cel kan
toenemen. Bronnen beeld: Universiteit van Amsterdam (links), Universiteit Utrecht (rechts).
Bij twee-foton absorptie neemt eerst een kleurstofmolecuul een foton van relatief lage frequentie op en geeft het elektron
daarmee als het ware een eerste zetje. Het volgende molecuul absorbeert een tweede foton van een hogere frequentie en brengt
zo het elektron naar een nog hoger niveau. Het resultaat is dat de zonnecel een groter spanningsverschil genereert en dat
verhoogt het elektrische vermogen dat zo'n cel kan leveren.
Om dit principe in de praktijk toe te kunnen passen zijn kleurstoffen nodig die bij relatief lage frequenties licht kunnen
absorberen. Sipke Wadman heeft in zijn promotieonderzoek laten zien dat zogenaamde ringgemetaleerde verbindingen die rol
kunnen vervullen. Wadman: "Met die verbindingen zorgen we ervoor dat de zonnecel ook fotonen uit rood licht, met relatief lage
energie, kan benutten."
De gebruikelijke zonnecelkleurstoffen bestaan uit metaalcomplexen waarin een rutheniumatoom is omringd door polypyridines.
Het metaal is niet echt (covalent) gebonden maar blijft op zijn plaats door elektronische interactie met de aromatische
pyridinemoleculen. Het is deze elektronische interactie die de er voor zorgt dat licht een elektron uit het metaalatoom kan
vrijmaken.
De meest populaire kleurstof voor de Grätzel-zonnecellen is een ruthenium-polypyridinemolecuul dat als N719 wordt aangeduid. De
zwarte lijn geeft aan in welke mate deze verbinding het zonlicht absorbeert. Het grijs gearceerde gebied is de absorptiekarakteristiek van
een ideale kleurstof; op de achtergrond in grijs het complete spectrum van de zonnestraling op aarde. Bron: proefschrift Sipke Wadman,
Universiteit Utrecht
Wadman: "De elektronische eigenschappen van het kleurstofmolecuul bepalen welk deel van het lichtspectrum wordt
geabsorbeerd. In de gebruikelijke rutheen-polypyridinekleurstoffen heb je tamelijk energierijke fotonen nodig om elektronen los
te maken. Dat komt omdat de interactie tussen het metaalatoom en de stikstofatomen uit de pyridines relatief zwak is."
In de nieuwe verbindingen die Wadman synthetiseerde is de elektronische interactie veel sterker. Het metaalatoom is namelijk
in zelf in een ringstructuur opgenomen - vandaar de benaming 'ringgemetaleerd'. Wadman: "Vergeleken met de gebruikelijke
kleurstoffen is één van de zwak bindende stikstofatomen uit de omringende pyridines vervangen door een sterk bindend
koolstofatoom. Zo onstaat een ring waarin het metaalatoom verbonden is met stikstof en koolstof. Dat heeft tot gevolg dat het
koolstofatoom relatief veel lading bevat. In feite is er sprake van een zogenaamd 'carbanion' dat het metaalatoom destabiliseert,
waardoor het relatief gemakkelijk is daar een elektron uit vrij te maken. Het effect is dat laagenergetische, rode fotonen
geabsorbeerd kunnen worden."
Ringgemetaleerde verbinding. Bron: proefschrift Sipke Wadman, Universiteit Utrecht
Een ander belangrijk voordeel van de ringgemetaleerde kleurstofmoleculen is dat ze behoorlijk stabiel blijven als ze een elektron
aan het titaandioxide hebben afgegeven. Dat is bij de huidige kleurstoffen nog een heikel punt: deze degraderen onder invloed
van zonlicht en hoge temperatuur. Daarmee vormen de ringgemetaleerde verbindingen ook al een zinvol alternatief voor de
gebruikelijke kleurstoffen zonder dat er sprake is van two-foton absorptie.
Wadman kon zelf de werking van de nieuwe kleurstoffen wel aantonen, maar hij kon er geen bijzonder efficiënte zonnecellen
mee maken. Hij wijt dat aan het feit dat de zonnecellen die hij toepaste vooral werden ontwikkeld om te gebruiken met de
traditionele kleurstoffen. Onderzoekers uit het lab van Grätzel daarentegen, die veel meer van de technologie van de
kleurstofzonnecel weten, slaagden er wel in om met Wadmans kleurstoffen een goede zonnecel te maken. Met een efficiëntie die
vergelijkbaar is met die van bestaande cellen. Wadman: "Het is duidelijk dat ringgemetaleerde verbindingen potentie hebben
voor de vervaardiging van efficiënte, stabiele zonnecellen".
En de belofte van de twee-foton absorptie dan, waar het per slot van rekening om begonnen was? Wadman: "Dat heb ik in mijn
onderzoek nog niet zo duidelijk kunnen aantonen. Ik heb de kleurstofmoleculen wel zodanig veranderd dat ze in staat zijn om
elektronen aan elkaar door te geven. Dat het ook gebeurt, dat weten we niet honderd procent zeker. Maar we hebben er wel
sterke aanwijzingen voor. Het zou de moeite waard zijn als iemand het onderzoek op dit spoor zou voortzetten."