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 TCO-coating 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.
Electron	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)
Titaan dioxide	Mineraal dat veel gebruikt wordt als wit pigment in bijvoorbeeld verf, tandpasta, pillen en vele andere toepassingen.
Elektrolyt	Elektrisch geleidende vloeistof, ionen i.p.v. electronen zorgen hierin voor de geleiding.
Ion	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”.
Grafiet	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. 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).