Het principe achter DSC’s is niet nieuw. Al begin jaren negentig presenteerde Prof. Michael Grätzel de zogenaamde kleurstofzonnecel. Deze zet zichtbaar licht, afkomstig van de zon of kunstmatig licht, om in elektriciteit. De cel is als volgt geconstrueerd: deze bevat minuscule deeltjes titaandioxide (doorsnede ongeveer 20 nm) waaraan organische kleurstofmoleculen zijn verbonden. Het (zon)licht maakt elektronen vrij uit de kleurstofmoleculen, die daardoor in geoxideerde toestand komen. De elektronen stromen vervolgens via de titaandioxide naar de negatieve elektrode van de zonnecel. Via de externe stroomkring kunnen deze elektrische energie leveren, waarna de elektronen weer terugkeren naar de positieve elektrode van de cel. 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 plaats kan vinden.
Effectievere omzetting
‘Het is een veelbelovende technologie’, stelt Rob van Haren, lector Transitie Bio-economie aan de Hanzehogeschool in Groningen. ‘Omdat DSC’s geen silicium bevatten, zijn de kosten aanzienlijk – zeg een factor 10 – lager dan van gangbare zonnecellen. Bovendien kunnen de cellen zowel voor grote als kleine applicaties worden ingezet. Er zijn grofweg twee markten voor zonnecellen: de grotere panelen die gebouwen of installaties voorzien van stroom of warmte en kleinere cellen die elektriciteit leveren aan draagbare elektronica. Voor beide toepassingen hebben DSC’s potentieel. Neem de grotere toepassingen: doordat DSC’s in een flexibele folie kunnen worden geproduceerd, zouden deze ook voor verticale oppervlakken (ramen et cetera, red.) kunnen worden ingezet. Omdat de omzetting van licht naar energie ook effectiever is, zouden de folies uiteindelijk ook rendabel zijn op daken die gericht zijn op het noorden. Voor indoor toepassingen, bijvoorbeeld (draagbare) elektronica zijn geen alternatieven. Daar hebben de DSC’s dus het rijk alleen.’
Game changer
Zo ver is het nog niet. Verschillende onderzoeksgroepen wereldwijd werken naarstig aan het verhogen van het photovoltaïsch rendement van de DSC’s. Inmiddels ligt deze net onder de 15 procent. Het laatstgenoemde percentage is volgens Van Haren de drempel die moet worden genomen naar de markt. ‘Jaren hebben onderzoekers stukje bij beetje het proces geoptimaliseerd’, aldus Van Haren. ‘Nu heeft de onderzoeksgroep van Grätzel in mei 2017 een artikel in Nature gepubliceerd dat een game changer kan worden.’ Grätzel en zijn team hebben een redox mediator ontwikkeld waarmee het transport van de elektronen sneller plaatsvindt. Daarmee neemt de efficiency toe met een factor 2: zo rond de 28 procent. ‘Een geweldige sprong voorwaarts’, zo stelt Van Haren. ‘Er zijn nog wel een aantal hordes te overwinnen. DSC’s zijn gebaseerd op synthetische kleurstoffen (een vaak gebruikte variant is een ruthenium-polypyridinemolecuul, red.) die het milieu belasten en de levensduur van de DSC’s verkorten omdat deze een corrosieve werking hebben op metalen zoals koper.’
Anthocyanen eerste optie
Er zijn inmiddels verschillende proeven uitgevoerd om de synthetische kleurstof te vervangen door natuurlijke kleurstoffen. Deze testen zijn wel uitgevoerd in opstellingen voordat Grätzel en zijn groep met de nieuwe redox mediator op de proppen kwam. Van Haren: ‘Hierdoor ligt het speelveld helemaal open en zullen eerdere testen met natuurlijke kleurstoffen (bijvoorbeeld anthocyanen, chlorofyl, carotenoïden, red.) opnieuw moeten plaatsvinden. In principe zijn verschillende typen geschikt, maar we zullen ons in eerste instantie richten op anthocyanen. Deze kunnen, ook in minder zuivere concentraties, prima licht omzetten in energie. Bovendien ‘passen’ deze kleurstoffen in een productieproces waarbij in olie of water opgeloste extracten op een folie worden aangebracht, bijvoorbeeld in een gel.’ Een ‘punt van aandacht’ is wel de stabiliteit van natuurlijke kleurstoffen. De gevoeligheid voor UV-licht is een probleem dat kan worden verholpen met UV-filters of de formulering – door de toevoeging van anti-oxidanten – van het electroliet.
Lat ligt hoog
Een andere horde is de levensduur. Natuurlijke kleurstoffen hebben een bepaalde levensduur die korter is dan van synthetische kleurstoffen of op silicium gebaseerde zonnecellen. Mogelijk zouden folies kunnen worden ontworpen waarbij natuurlijke kleurstoffen worden aangevuld of dat de folies geheel worden vervangen. Qua kosten lijkt het in ieder geval niet de meest aantrekkelijke optie. ‘Dat valt te bezien’, aldus Van Haren. ‘We willen de anthocyanen extraheren uit reststromen uit de sierteelt (tulpen etc.). Dat gaan we testen met superkritische CO2. Dat is niet de meest goedkope methode, vandaar dat we ook gaan testen met ‘natural deep eutectic solvents’ (NADES). Deze oplosmiddelen worden gevormd door mengsels van twee of meer vaste stoffen die – eenmaal gemengd – vloeibaar worden. Het mengsel heeft een smeltpunt dat significant lager ligt dan van de afzonderlijke stoffen: het eutectisch punt. Hierdoor kunnen vaste stoffen vloeibaar worden bij kamertemperatuur en onder atmosferische druk. Kortom, we willen niet alleen duurzame – en goedkope – grondstoffen inzetten, maar ook het extractieproces verduurzamen. We leggen de lat hoog.’
