Stel je eens voor dat alle ramen in kantoorgebouwen en woonhuizen gewoon zonlicht doorlaten maar tegelijkertijd ook de energie van de zon omzetten en zo aan alle energiebehoeften van het kantoor of woning kunnen voldoen. In een recente studie van ICFO zijn onderzoekers erin geslaagd een optimale transparante organische zonnecel met een efficiënte energieomzetting te vervaardigen die dit mogelijk maakt.

Dit is een veelbelovende stap richting betaalbare, schone en stedelijk geïntegreerde zonne-energie die op grote schaal gebruikt kunnen worden. De resultaten van deze studie zijn onlangs gepubliceerd in Nature Photonics.

Maximale exploitatie
De hedendaagse commerciële zonnepanelen bestaan voor het grootste gedeelte uit kristallijn silicium zonnecellen op waterbasis, die redelijk efficiënt zijn in het omzetten van zonnestralen in elektrische energie (ongeveer 15% conversie-efficiëntie). Voor maximale exploitatie staan echter belangrijke obstakels in de weg. Om te beginnen moeten ze exact georiënteerd zijn om direct zonlicht op te vangen, en zelfs dan zijn ze nog beperkt in hun vermogen om diffuus licht te absorberen. Daarnaast zijn ze zwaar, ondoorzichtig en nemen ze veel ruimte in beslag.

Organische zonnecellen
Organische zonneceltechnologie bestaat al zo’n 30 jaar, maar begint nu pas flink de interesse te wekken vanwege de lage productiekosten. Hoewel organische cellen nog niet de efficiëntie van zonnecellen op siliciumbasis hebben geëvenaard, hebben deze Organische Fotovoltaïsche Cellen (OPVC) bewezen dat ze minder zwaar, flexibeler (waardoor ze goed gebruikt kunnen worden voor gebogen oppervlakken), en zelfs gevoeliger voor weinig licht en indirect zonlicht zijn, waardoor het een van de meest aantrekkelijke fotovoltaïsche technologieën voor hedendaagse toepassingen is. Maar wat deze organische zonnecellen nog interessanter maakt is de mogelijkheid om ze, vanwege de transparante eigenschap, overal te integreren.

Nanotechnologie
Organische fotovoltaïsche cellen bereiken, net als alle andere fotovoltaïsche technologieën, hun maximale omzettingsrendement van licht naar elektriciteit met ondoorzichtige panelen. Om deze cellen om te zetten in doorzichtige cellen moet de achterste metalen elektrode verdund worden tot slechts een paar nanometer, waarmee echter het vermogen van het apparaat om zonlicht op te vangen drastisch wordt verlaagd. ICFO onderzoekers zijn nu in staat om een semi-transparante cel te voorzien van een fotonisch kristal en daarmee een celvermogen te bereiken dat bijna zo hoog is als zijn ondoorzichtige tegenhanger. Door zo’n extra fotonisch kristal aan de cel toe te voegen, is het de onderzoekers van ICFO gelukt om de hoeveelheid geabsorbeerd infrarood en ultraviolet licht te verhogen, waarmee een rendement van 5,6% werd bereikt. De transparantie werd behouden, waardoor het verschil tussen de cel en gewoon glas bijna niet te onderscheiden is.

Kleuren
De resultaten op het gebied van efficiëntie en transparantie zorgen ervoor dat deze cellen een uiterst concurrerend product zijn voor zogenaamde Building-Integrated Photovoltaic (BIPV) technologieën. Om het adequate architectonische uiterlijk te bereiken kan de kleur van de cellen worden aangepast door simpelweg de configuratie van het fotonische kristal te veranderen.

Verhoging efficiëntie
Jordi Martorell, UPC Professor bij ICFO en leider van de studie verheldert: “Toepassingen voor dit type technologie in BIPV hoeven nog maar een paar stappen te maken, maar de technologie heeft zijn verzadigingspunt nog niet bereikt. De ontdekking van ICFO baant de weg voor innovatie naar andere industriële producten van doorzichtige fotovoltaïsche cellen. In het midden van het academische jaar verwachten we extreem hoge transparanties en efficiëntie te bereiken die nodig zijn om apparaten zoals beeldschermen, tablets, smartphones, etc. op te kunnen laden.”

Het is een veelbelovend toekomstbeeld voor deze apparaten. Een onlangs goedgekeurd Europees project genaamd SOLPROCELL gaat een consortium van top Europese onderzoekers en industrieën, geleid door ICFO, in staat stellen om de mogelijkheden van deze cellen een flinke duw in de rug te geven, waarmee de stabiliteit en levensduur wordt verbeterd en de efficiëntie aanzienlijk wordt verhoogd.