In principe kun je zonnecellen maken door simpelweg een dunne laag van een speciale ‘inkt’ op een ondergrond (het substraat) aan te brengen en het geheel te voorzien van elektroden. Naar de optimale samenstelling van deze foto-actieve ‘plastic’ inkt wordt echter nog hard gezocht - onder meer aan de TU/e in de groep M2N van Spinozapremie-winnaar René Janssen.

Hans van Franeker, die binnenkort promoveert bij M2N, legt uit dat de inkten voor plastic zonnecellen in het algemeen twee opgeloste stoffen bevatten (polymeren en fullereen), die in de uiteindelijke zonnecel in de juiste mate gemengd moeten zijn. Een belangrijk gevaar is de vorming van druppeltjes, zegt hij. “Dat gebeurt doordat het polymeer een andere interactie heeft met het oplosmiddel dan het fullereen; tijdens het droogproces ontstaan dan fullereenrijke druppeltjes, waardoor beide componenten ontmengd raken.”

En dat leidt weer tot zonnecellen met een veel lagere efficiëntie, legt Van Franeker uit. “Volledige menging is echter ook niet goed; je wilt ergens in het midden zitten, waarbij de polymeren vezels vormen waar de fullerenen tussen gaan zitten.” Alleen zo ontstaat de optimale combinatie van lichtgevoeligheid en elektrische geleiding waar de wetenschappers naar op zoek zijn. De uiteindelijke nanostructuur van de zonnecel blijkt volgens de promovendus sterk af te hangen van de gebruikte oplosmiddelen en de manier waarop de inkt op het substraat wordt aangebracht.

Waaróm werkt de ene stof beter dan de andere?

De foto-elektrische laag wordt gemaakt via zogeheten spin coating; het substraat draait hierbij rond, waardoor de inkt gelijkmatig wordt verdeeld. Het is gebruikelijk dat de resulterende zonnecellen uit het lab pas na het productieproces onder de loep worden genomen, zegt Van Franeker. “Je test de materialen aan de hand van het eindresultaat: hoe goed de zonnecellen werken die je ermee kunt maken. Maar daarmee weet je vaak nog niet waaróm de ene stof beter werkt dan de andere.”

Van Franeker, die in Utrecht natuurkunde studeerde voordat hij naar Eindhoven kwam voor de master Sustainable Energy Technology, ontwikkelde daarom een meetmethode waarbij hij de zonnecel-in-wording tijdens het spin coaten kon bestuderen. Hij keek hierbij naar veranderingen in de kleur van de zonnecel, en naar de reflectie en verstrooiing van röntgenstraling en laserlicht “Zo heb ik kunnen aantonen dat bij één oplosmiddel er druppels ontstaan zodra zo’n twintig procent van het oplosmiddel is verdampt. Als je echter een klein beetje van een tweede oplosmiddel toevoegt, een zogeheten co-solvent, dan vormen zich al vezels voor dat stadium is bereikt en voorkom je dat er druppels ontstaan.”

Dat het toevoegen van een co-solvent wonderen kon doen voor plastic zonnecellen was al bekend; dankzij het werk van Van Franeker is nu duidelijk hoe dat komt. “Dit soort in-situ metingen tijdens fabricageprocessen zijn niet altijd eenvoudig, maar het is volgens mij zeker de moeite waard om er meer gebruik van te maken.”