Met zonlicht kun je elektrische stroom maken of chemische reacties aandrijven. Door slim design en de juiste materiaalkeuze krijgt zonne-energie straks nog meer toepassingen.

In de zoektocht naar betere manieren om zonlicht te ‘oogsten’, is het geen dwaas idee om te rade te gaan bij de natuur. Miljoenen jaren evolutie leverden immers al energiefabriekjes op die zonlicht omzetten in energie. Bij fotosynthese gebruiken planten antennemoleculen om de energie uit zonlicht zo linea recta naar de bladgroenkorrels te gidsen. Daar drijft de energie chemische reacties aan die de plant van voedsel voorzien.

Zongestuurde reactor

De Vlaamse scheikundig ingenieur Timothy Noël, die aan de TU/e een eigen onderzoeksgroep leidt, wil de natuur graag kopiëren en microreactors bouwen waarin chemische synthesereacties enkel met zonlicht worden aangestuurd. ‘Wij zijn vooral geïnteresseerd in katalytische fotoredoxreacties’, vertelt Noël. ‘Daarbij houdt een katalysator onder invloed van licht een reactie in gang.’

Wat is Noëls doel? ‘Er zijn er verschillende, waaronder natuurlijk het feit dat we geen fossiele energie of giftige hulpstoffen gebruiken. Microreactors die bij temperaturen onder de 100 °C werken, staan tegenwoordig ook meer en meer in de belang­stelling van de farmaceutische industrie. Die gebruikt in haar organische synthesereacties vaak zware functionele molecuulgroepen. Het probleem met de huidige, ‘hete’ reactors is dat die groepen afbreken bij een te hoge temperatuur.’

De ‘rode’ fotonen activeren de katalysator

Eind vorig jaar slaagden Noël en zijn collega’s erin een microreactor te bouwen aangedreven door daglicht. Als biomimetisch alternatief voor de antennemoleculen in planten gebruikten ze zogenoemde luminescent solar concentrators (LSC’s); stofjes die het invallende licht opvangen en het naar een bepaalde golflengte omzetten die zich goed naar het reactievat laat leiden. De microreactor heeft de vorm van een esdoornachtig blad dat rood oplicht. Het zijn precies de ‘rode’ fotonen die de katalysator, en dus ook de chemische reactie (een singletzuurstofoxidatie), in gang zetten. Het reactievat bestaat uit een fijnmazig netwerk van microkanaaltjes, zeg maar de ‘nerven’ van het blad.

Noël: ‘De specifieke reactie die we uitvoerden, doet er niet zoveel toe. We hebben vooral aangetoond dat de chemische productie met LSC’s 40 % hoger ligt dan bij een transparante reactor.’ Volgens de scheikundig ingenieur is het mogelijk de microreactor straks door te ontwikkelen tot een krachtige tool die zonlicht inzet om waardevolle chemicaliën te produceren.

De inventiviteit van Noël en zijn collega’s schuilt vooral in het design van de micro­reactor, en minder in de ontwikkeling van nieuwe materialen. ‘Die LSC’s lijken voor een buitenstaander misschien revolutionair, maar ze bestaan al sinds de jaren zeventig en zijn letterlijk spotgoedkoop.’ Volgens Noël is het belangrijkste element in de reactor de geslaagde waveguiding van het rode licht door het materiaal heen. ‘We behalen een ­efficiëntie van 20 %, terwijl bij een transparant materiaal slechts 3 % van de fotonen deelneemt aan de chemische reactie.’

Flexibele zonnecellen

Een ander energiefabriekje dat zo veel mogelijk zonlicht tracht te oogsten, is de fotovoltaïsche cel. Bij de traditionele ‘harde’ ­siliciumzonnecellen flirt het rendement intussen met de 30 %. Maar efficiëntie is niet alles. Ook flexibiliteit, stabiliteit, duurzaamheid en massaproductie kunnen een cel maken of kraken. Omdat ze uitermate flexibel zijn en je ze in bulk kunt printen, kijken onderzoekers al geruime tijd naar organische zonnecellen, ook wel organic photovoltaic (OPV) solar cells genoemd.

Het vorig jaar afgeronde Europese Sunflo­wer-­project nam OPV’s onder de loep in zowel een academische als industriële context. ‘In dit project, dat vijf jaar duurde, werd letterlijk alles onderzocht’, zegt Sara Bals, hoogleraar materiaalwetenschap en elektronenmicroscopie aan de Universiteit Antwerpen. ‘Onze groep bekeek bijvoorbeeld het verband tussen de microscopische structuur van OPV’s en hun relevante eigenschappen. Andere startten heuse demonstrators op rond concrete toepassingen.’

Veelzijdige verwerking

Bals’ onderzoeksgroep, die beschikt over enkele van de krachtigste elektronenmicroscopen ter wereld, maakte onder meer tomogrammen van verschillende soorten OPV’s, zoals single en multi junction-OPV’s. En van de tandemcel, die fotonen absorbeert in de vorm van een soort watervalsysteem. Bals: ‘Hiervoor sneden we kleine pilaartjes uit de OPV’s om er vervolgens vanuit verschillende hoeken vlakke beelden van te maken. Op de computer verkregen we dan uiteindelijk een 3D-beeld. Daarop konden we bijvoorbeeld de bindingen tussen de polymeermoleculen en de fullerenen bestuderen.’

De ontwikkelaars van OPV’s kregen de resultaten van Bals’ analyse als feedback terug. ‘Zo brachten we nauwgezet in kaart wat de invloed is van een stijgende temperatuur op de actieve laag. Een van onze belangrijkste vondsten is dat de stabiliteit en het behoud van efficiëntie sterk samenhangen met de temperatuur. Zo zagen we een verschil in afstand tussen de fullereenrijke lagen en de beschermende recombinatielaag voor en na verwarming.’

De kracht van OPV’s schuilt vooral in de mogelijkheid om ze in van alles en nog wat te verwerken, van handtassen tot zonneblinden over transparante schermen voor tablets. Bals: ‘En dan is er nog de massaproductie: OPV’s kun je, een beetje zoals de papieren krant, gemakkelijk via de roll-to-roll-methode printen.’