Organische zonnecellen: de toekomst van fotovoltaïsche energie?

In tegenstelling tot conventionele fotovoltaïsche cellen bestaan organische zonnecellen niet uit siliciumhalfgeleiders. In plaats daarvan worden organische, d.w.z. koolstofhoudende, verbindingen gebruikt. De productie van organische zonnecellen is bijzonder kosteneffectief en energie-efficiënt. Hun efficiëntie is momenteel echter nog zeer beperkt.

Hoe werken organische zonnecellen?

Zonnecellen kunnen elektriciteit opwekken uit lichtenergie. Dit gebeurt door middel van een halfgeleider. In conventionele cellen bestaat dit uit zeer zuiver silicium, waarvan de productie zeer complex en energie-intensief is, met zeer hoge kosten als gevolg.

Organische zonnecellen bevatten daarentegen geen siliciumhalfgeleiders. In deze cellen wordt de elektriciteit juist opgewekt in organische, d.w.z. koolstofhoudende, moleculen.

In een organische zonnecel worden zeer fijne laagjes organische moleculen afgezet op een substraat. Deze lagen fungeren als elektronendonor of -acceptor. De eigenlijke elektriciteitsproductie vindt plaats op het grensvlak tussen de donor- en de acceptorlaag. Daarom worden organische zonnecellen ook wel “heterojunctiecellen” genoemd.

Welke organische materialen bijzonder geschikt zijn voor de productie van zonnecellen is momenteel nog onderwerp van onderzoek. De gebruikte materialen moeten immers niet alleen een hoge stroomopbrengst garanderen, maar ook een voldoende lange levensduur van de cel. Bovendien moeten de gekozen halfgeleiders ook passen bij de gebruikte verbindingselektroden, zodat de stroom efficiënt kan worden afgevoerd en gebruikt.

Voordelen en nadelen van organische zonnecellen

Het fabricageproces van organische zonnecellen is zeer energie- en grondstoffenarm. Daardoor is de broeikasgasbalans van deze cellen bijzonder goed. Daarom hebben ze ook een zeer vroeg energetisch terugverdienpunt. Op dit punt komt de hoeveelheid energie die met de zonnecel wordt opgewekt overeen met de energie-uitgaven voor de productie ervan.

Bovendien worden bij de productie van organische zonnecellen, in tegenstelling tot conventionele celtypes op basis van silicium, geen gevaarlijke en bijzonder milieubelastende stoffen gebruikt. Daarom zijn organische zonnecellen niet alleen milieuvriendelijker, maar ook goedkoper om te verwijderen.

Door de besparing van energie en grondstoffen in het fabricageproces zijn organische zonnecellen zeer goedkoop.

Naast deze voordelen is ook de grote vervormbaarheid van organische cellen bijzonder positief. Zij kunnen dus worden gebruikt in andere toepassingsgebieden zoals harde siliciumcellen.

Dankzij de dunnefilmtechnologie bestaan er echter ook zonnecellen op basis van silicium die ook flexibel zijn. Organische zonnecellen hebben een relatief goed gedrag bij weinig licht en kunnen daarom ook worden gebruikt in gebieden waar de lichtbestraling niet optimaal is.

Een ander voordeel van organische zonnecellen is dat zij transparant of semi-transparant kunnen worden gemaakt. Dit maakt ze geschikt voor gebruik op glazen oppervlakken.

Het belangrijkste nadeel van organische zonnecellen, dat momenteel hun verdere gebruik beperkt, is hun lage rendement.

In massa geproduceerde cellen kunnen slechts 6 tot 7% van het bestraalde licht omzetten in elektriciteit. Op silicium gebaseerde celtypes hebben soms een rendement dat 3,5 keer hoger ligt.

Bovendien is er nog geen langdurige ervaring met de nieuwe technologie van organische zonnecellen. Met name de verwachte levensduur van organische zonnepanelen kan nog niet serieus worden ingeschat. Vele factoren wijzen er echter op dat deze aanzienlijk korter is dan die van op silicium gebaseerde celtypes.

Om de vele voordelen van organische zonnecellen beschikbaar te maken voor de brede massamarkt, moet daarom technische vooruitgang worden geboekt, met name wat betreft het rendement en de levensduur van de componenten. Dit is de enige manier waarop deze nieuwe technologie het op lange termijn kan winnen van conventionele zonnecellen.

Hoe worden organische zonnecellen vervaardigd?

De productiemethode van organische zonnecellen verschilt sterk van die van fotovoltaïsche modules op basis van silicium en vormt het grootste voordeel van deze nieuwe technologie.

Er zijn verschillende soorten organische zonnecellen, die verschillen in de manier waarop ze worden vervaardigd. Enerzijds zijn er de organische kleurstofcellen.

Om dit type cel te produceren worden flinterdunne laagjes organische moleculen aangebracht op anorganische nanodeeltjes. Deze fungeren als elektronenacceptanten en hebben organische kleurstofmoleculen op hun oppervlak.

Ten tweede is er de klasse van de halfgeleidercellen. In dit type worden cellen met kleine organische moleculen en cellen met grote macromoleculen onderscheiden.

In de eerstgenoemde cellen worden de organische moleculen op het dragermateriaal aangebracht door sublimatie in hoog vacuüm.

Macromoleculaire materialen daarentegen worden vanuit een oplossing op het substraat afgezet. Dit gebeurt vaak in het zogenaamde “spin coating proces”. Hier wordt de oplossing op een roterend substraat gedropt. Druktechnieken zijn ook mogelijk voor zowel kleine als grote moleculen.

Welke fabrikanten van organische zonnecellen zijn er?

Momenteel zijn er nog zeer weinig fabrikanten van organische zonnecellen die geschikt zijn voor massaproductie. Tot de bekendste behoren de bedrijven ARMOR solar power films en Heliatek. Verwacht wordt echter dat in de toekomst nieuwe spelers de markt zullen betreden.

Wat is het rendement van organische cellen?

Het rendement van organische zonnecellen is momenteel nog relatief laag. Bij massaproductie worden slechts waarden van maximaal 6 à 7% bereikt. Zonnecellen op basis van monokristallijn silicium daarentegen kunnen tot 25% van de energie van het licht gebruiken om elektriciteit te produceren. Deze efficiëntieniveaus worden momenteel zelfs niet gehaald door individueel vervaardigde organische zonnecellen, die slechts een rendement van 15 tot 17% halen.

Zijn organische cellen de toekomst?

Organische zonnecellen staan momenteel nog in de kinderschoenen. Daarom is het moeilijk een sluitende prognose te maken over de toekomstperspectieven van deze nieuwe technologie.

In principe hebben organische zonnecellen veel potentieel, zodat mag worden aangenomen dat zij zich op de markt zullen vestigen.

In de nabije en middellange toekomst zullen organische zonnecellen qua opbrengstpotentieel nauwelijks kunnen concurreren met cellen op basis van silicium. Daarom valt te verwachten dat het toepassingsgebied voor organische zonnecellen zich in de nabije toekomst zal concentreren op gebieden waar bijzonder goedkope en flexibele zonnecellen nodig zijn.

Dankzij de dunnefilmtechnologie zijn er echter ook flexibele zonnecellen op basis van silicium beschikbaar. Of organische zonnecellen op lange termijn de overhand zullen krijgen, hangt dus ook sterk af van de vraag of zij zich staande kunnen houden tegenover dunnefilmmodules.

Als organische fotovoltaïsche cellen in de verre toekomst qua efficiëntie kunnen concurreren met op silicium gebaseerde celtypes, kunnen zij deze ook verdringen in toepassingsgebieden met beperkte bruikbare ruimte, zoals daksystemen.

Organische zonnecellen zouden in termen van efficiëntie zelfs de op silicium gebaseerde modellen kunnen overtreffen. Deze hebben namelijk een maximaal technisch mogelijk rendement van 30%. Organische zonnecellen zijn in dit opzicht niet beperkt, aangezien theoretisch verschillende halfgeleiderlagen kunnen worden gecombineerd. Deze kunnen verschillende golflengten van het licht absorberen en daardoor een aanzienlijk groter deel van het licht gebruiken om energie op te wekken.

Er moet echter op worden gelet dat ultraviolet licht, dat bijzonder energierijk is, de gebruikte organische moleculen op lange termijn vernietigt en dus een negatief effect heeft op de levensduur van de panelen. Daarom kan het onder bepaalde omstandigheden zinvol zijn dit deel van het lichtspectrum bewust niet te gebruiken voor energieopwekking.

Gerelateerde artikelen: