Laat de buckyballs uit je organische zonnecellen en je haalt toch nog een rendement van 8,4 procent. Kwestie van een groter deel van het spectrum benutten, juichen vorsers van het Leuvense onderzoeksinstituut imec deze week in Nature Communications.

Daarmee gaan ze in tegen de meerderheid die juist wél buckyballs (ook bekend als fullerenen of C₆₀) gebruikt als elektronenacceptor, gewoon omdat ze zo soepel met elektronen omgaan. Het nadeel dat hun absorptiespectrum maar een kleine overlap met het spectrum van zonlicht vertoont, neemt men meestal maar voor lief.

In plaats van die fullerenen gebruiken de Vlamingen nu een acceptor die uit twee lagen bestaat, die zowel elektronen kunnen accepteren als doneren. Om precies te zijn boorsubftalocyaninechloride, afgekort subPc, en boorsubnaftalocyaninechloride (SubNc). Beide moleculen zien er uit als drie ketens van organische ringstructuren rond een boornitride-kern, waarbij SubNC ee extra aromaatring aan elk uiteinde heeft zitten. Door eerdere onderzoekers werd met name SubPc juist als elektronendonor ingezet, in combinatie met die fullerenen als acceptor.

De Leuvense zonnecel bevat een ándere elektronendonor, namelijk alfa-sexithiofeen (alfa-6T), een keten van zes thiofeenringen. Daar gaat eerst SubNc en dan SubPc overheen. Die drie lagen sandwich je weer tussen een zilverelektrode aan de acceptorkant en een met transparant geleidend materiaal gecoat glasplaatje aan de donorkant.

Laat je hier zonlicht op vallen, dan vervult SubNc een dubbelrol. Het kan elektronen accepteren uit alfa-6T en die doorgeven aan SubPc, en in omgekeerde richting excitons (gaten, als het ware) doorsluizen. En experimenten laten zien dat het niet bij doorsluizen blijft maar dat SubNc ook zelf een deel van het zonlicht absorbeert, en zo meewerkt aan de energieproductie van de zonnecel.

Resultaat: een ‘kwantumefficiëntie’ van 75 procent over het golflengtegebied 400-720 nm, en een overallrendement van 8,4 procent. Dat is nog niet zo goed als de beste organische zonnecellen mét fullerenen. Maar voor een eerste poging is het wél verrassend hoog, en het bewijst in elk geval dat een dergelijke meerlaagsarchitectuur zeker de moeite waard is om verder mee te experimenteren.

Laat je SubNC óf SubPC weg, dan werkt het overigens ook maar is het rendement, geheel zoals verwacht, beduidend lager.

bron: imec, Nature Communications

PS. in de eerste versie van dit stuk waren SubNc en SubPc door elkaar gehaald. Onze excuses voor het ongemak.