Technologie & Milieu : 01 Augustus 2006 Volwaardig ECN laboratorium stimulans voor polymere zonnecel
Na een grondige aanpassing van het zonnecellaboratorium van het Energieonderzoek Centrum Nederland (ECN), gaat het onderzoek aan polymere -of 'plastic'- zonnecellen met rasse schreden verder. Het onderzoek heeft als doel het verhogen van het energie-conversierendement van deze zonnecellen en schaalvergroting. Om dit doel te bewerkstelligen ontwikkelt ECN samen met partners, nieuwe materialen, fabricagemethoden en fundamentele kennis. De ECN laboratoriuminfrastructuur is nu geschikt om state-of-the-art polymere zonnecellen te maken en te karakteriseren.
In de elektronica was kunststof tot voor kort niet méér dan verpakkingsmateriaal of grondstof voor behuizingen. Maar polymeren krijgen een steeds meer veelzijdige rol in elektronische toepassingen. Door in te grijpen in de structuur kan men de eigenschappen aanpassen aan de wens van de producent. Verder is kunststof gemakkelijk te verwerken met standaardtechnieken. Hierop gebaseerde elektronische producten zijn bovendien dun en flexibel, en hebben een zeer gering gewicht. De potentieel lage kosten bieden bovendien nieuwe marktkansen waar de prijs van bestaande elektronica te hoog is.
De werking van de plastic zonnecel berust op het principe van de 'bulk-hetero-junction' (BHJ). Dit betekent dat in een organisch composietmateriaal op nanoschaal, twee vervlochten netwerken worden gerealiseerd, bestaande uit een elektronendonor en een acceptorcomponent. Het donormateriaal is een geconjugeerd polymeer en als acceptormateriaal wordt veelal het C60 molecuul ('Buckybal') gebruikt. In deze structuur worden positieve en negatieve ladingen, die worden gevormd na invangst van zonlicht, afzonderlijk naar de elektroden afgevoerd. Al met al is een dergelijke actieve laag niet meer dan 200-300 nm dik. De laag is op flexibel dragermateriaal aan te brengen, waardoor in de toekomst grootschalige productie van -eventueel semi-transparant- 'zonnefolie' mogelijk is.
Een van de doelstellingen van de polymere PV Projecten bij ECN is het verhogen van het celrendement. Hiervoor ontwikkelt ECN samen met verschillende partners, nieuwe materialen en fabricagemethoden om beter gestructureerde composietmaterialen te kunnen produceren. Een betere (BHJ) structuur moet leiden tot een meer efficiënt transport van ladingdragers uit de foto-actieve laag naar de elektroden. Tevens worden ter verhoging van het celrendement nieuwe polymere kleurstoffen ontwikkeld die het zonnespectrum beter absorberen. Een andere belangrijke doelstelling van het ECN onderzoek is het verlengen van de levensduur van de plastic zonnecel. Hiervoor moet de fotostabiliteit van het PV actieve composietmateriaal worden verbeterd. Daarnaast wordt de verpakking van de actieve laag van de zonnecel geoptimaliseerd zodanig dat deze lucht- en waterdicht wordt. De grote uitdaging is om dit te realiseren met methoden die zich lenen voor opschaling en tegen lage kosten.
De fabricage van de polymeer zonnecel bestaat uit een aantal stappen die grofweg kunnen worden gesplitst in het schoonmaken van de substraten, het maken van de polymeer oplossingen, het aanbrengen van de polymeer lagen en tot slot het opdampen van de elektroden. Voorheen had ECN de beschikking over één met stikstof gevulde handschoenenkast, waarin de polymeer oplossingen werden gemaakt en de elektroden werden opgedampt. De overige stappen vonden plaats in lucht. De nieuwe lijn bestaat uit drie gekoppelde handschoenenkasten en een stofvrije kast. In de stofvrije kast worden de substraten schoongemaakt, waarna ze direct de handschoenenkasten in kunnen waar de vervolgstappen onder stikstof kunnen plaatsvinden. Op deze manier blijven de lagen schoner en dat heeft een positief effect op zowel de reproduceerbaarheid van de fabricage als het uiteindelijke rendement.
De hoogste celrendementen worden momenteel gehaald met zonnecellen met een materialencombinatie van een geconjugeerd polymeer en C60-achtig materiaal. ECN heeft in de nieuwe fabricagelijn, in het kader van het Dutch Polymer Institute (DPI), met een door TNO vervaardigd polymeer, een device van 1 cm2 gemaakt met een rendement van 4 procent. Het hoogste rendement van een polymere zonnecel dat tot nog toe is behaald staat op naam van de Amerikaanse firma Konarka, bijna 5 procent. Ons onderzoek heeft uiteindelijk tot doel om stapsgewijs te komen tot een celrendement van 10 procent in 2013.
Ook de stabiliteitsmetingen zijn inmiddels van start gegaan en laten zien dat na 1000 uur belichten, de cellen nauwelijks (> 20 procent) verslechteren, hetgeen een onverwacht zeer goed resultaat is voor organische-type zonnecellen. Vooralsnog gaat het bij de onderzoeksactiviteiten op het gebied van Polymere PV nog niet om de introductie van een nieuw product of nieuwe productietechnologie. De eerste periode wordt vooral fundamenteel en toegepast chemisch, fysisch en cellenonderzoek verricht door een zestal uitvoerende groepen binnen het consortium van instellingen.
Informatie
Meer informatie over polymere zonnecellen kunt u vinden op de website van de ECN programma-unit Zonne-energie (Bron: ECN)
