Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) hebben voor het eerst haarscherpe 3D-beelden gemaakt van het binnenste van een polymere zonnecel. Samen met Duitse collega’s van de Universiteit van Ulm kregen zij hierdoor een beter beeld van de nanostructuren in de cellen en de invloed hiervan op de prestaties van de zonnecel. De resultaten zijn zondag 13 september online verschenen in Nature Materials.
De resultaten geven nieuwe informatie over hoe polymere zonnecellen precies werken. Dit is cruciaal voor het verbeteren van de prestaties van deze klasse zonnecellen.
Goedkoop, buigzaam en lichtgewicht
Deze halen namelijk nog lang niet de rendementen van silicium zonnecellen. Ze hebben wel andere voordelen. Zo kunnen polymere zonnecellen op een drukpers ‘roll-to-roll’ geproduceerd worden, op hoge snelheden. Dit maakt deze technologie in potentie erg goedkoop. Ook zijn polymere zonnecellen buigzaam en lichtgewicht, hetgeen ze geschikt maakt voor toepassingen op voertuigen of kleding en in het design van gebruiksvoorwerpen.
Ingewikkeld patroon
Een polymere zonnecel bestaat uit twee materialen die op een ingewikkelde manier door elkaar zijn gemixt (zie afbeelding). Daarbij is er een trade-off. Hoe ingewikkelder dat patroon, hoe groter het grensoppervlak tussen materialen A en B, en hoe meer ladingen er worden gecreëerd wanneer er zonlicht op de cel valt. Maar tegelijkertijd zitten al die bochten het transport van die ladingen in de weg. Voor een goed functionerende zonnecel moeten die wel hun weg kunnen vinden naar de elektroden.
CT-scan op nanoschaal
Wil je dus betere zonnecellen maken, dan is het van belang om de verwevenheid van de twee materialen goed in beeld te kunnen brengen. Dit was voorheen extreem lastig, maar door gebruik te maken van ‘3D electron tomography’ (vergelijkbaar met een CT-scan, maar dan met een elektronenmicroscoop op nanoschaal) heeft het onderzoeksteam de materiaalstructuur met niet eerder vertoond detail in beelden gevangen.
Aan de hand van deze beelden kon het team van het Institute of Stochastics in Ulm essentiële parameters berekenen, zoals de afstanden tussen de twee materialen en welk deel van het netwerk in contact staat met de elektroden. Deze analyse kwam perfect overeen met het gemeten gedrag van de zonnecellen in zonlicht.
Toekomst
De grootste uitdaging is het rendement van plastic zonnecellen omhoog te schroeven. De sleutel daarvoor ligt in het precies kunnen beïnvloeden van de vorm op nanoschaal van de lichtgevoelige laag. Bijvoorbeeld door materialen te ontwikkelen die een groter deel van het zonnespectrum kunnen gebruiken voor de omzetting naar elektriciteit.