Fotonfusie helpt zonnecellen

Omzetting van energiezuinig in energiezuinig zonlicht is gelukt

Zonne-experiment Max Planck Instituut voor polymeeronderzoek
voorlezen

De efficiëntie van de zonnecellen van vandaag is onder meer beperkt dat ze het lange-golflengte, energiezuinige deel van zonlicht niet kunnen gebruiken. Met behulp van twee lichtactieve stoffen is het nu mogelijk om voor het eerst op deze ongebruikte energiebron te tikken. Een onderzoeksteam is erin geslaagd lichtdeeltjes met een lange golflengte te "versmelten" en deze met hogere energie om te zetten in kortegolffotonen. Tot nu toe is een vergelijkbaar succes alleen bereikt met laserlicht met een hoge energiedichtheid. Zoals de onderzoekers in het huidige nummer van Physical Review Letters melden, zou dit de hoeksteen kunnen zijn van een nieuwe generatie efficiëntere zonnecellen.

Met de nieuwe methode slaagden de wetenschappers van het Max Planck Institute for Polymer Research en het Sony Materials Science Laboratory er voor het eerst in om fotonen van gewoon licht te koppelen en zo de golflengte te veranderen. Ze gebruikten twee stoffen (platinoctaethylporphyrin en difenylanthraceen), waarvan de oplossing het lange-golf, groene licht van een gewone lichtbron omzet in korte-golf, blauw licht. Analoog aan de processen in laserlicht worden fotonen hier ook gekoppeld, maar op een andere manier.

Twee fotonpartners bemiddeld

Tijdens het manipuleren met laserlicht neemt een molecule twee fotonen op, wat alleen waarschijnlijk is in het letterlijke "fotonenbombardement" van een laserstraal, hier ontvangen de moleculen slechts één foton. De bemiddeling van twee "fotonpartners" gebeurt tussen de moleculen via een ander mechanisme, de zogenaamde triplet-annihilatie. Door verschillende, gecoördineerde bemiddelaarmoleculen te kiezen, kan men de energie van fotonen uit het gehele zonnespectrumbereik toevoegen.

De twee stoffen die door onderzoekers zijn ontwikkeld als "fotonenbemiddelaars" hebben zeer verschillende eigenschappen. Terwijl de ene dient als een "antenne" voor groen licht (antennemoleculen), koppelt de andere de fotonen en transformeert zo twee energiezuinige, groene fotonen in een energetisch, blauw foton, dat het uitzendt als een emitter (emittermolecuul).

Overdracht van het energiepakket

Het volgende gebeurt in detail: Eerst pakt het antennemolecuul een groen, energiezuinig foton op en geeft het als een energiepakket door aan het emittermolecuul. Beide moleculen slaan de energie opeenvolgend op in zogenaamde geëxciteerde toestanden. Vervolgens reageren twee van de met energie geladen emittermoleculen met elkaar, waarbij het ene molecuul zijn energiepakket op het andere overbrengt. Daarna bevindt een molecuul zich in de energiezuinige grondtoestand. De andere bereikt echter een zeer hoge energietoestand, waarin tweemaal het energiepakket wordt opgeslagen. Deze toestand vervalt snel en zendt het grote energiepakket uit in de vorm van een blauw foton. Hoewel dit lichtdeeltje kortere golven heeft en energierijker is dan het aanvankelijk bestraalde groene licht, wordt er onderaan geen energie gegenereerd, maar wordt de energie van twee fotonen gecombineerd in één. tonen

Het proces is chemisch opwindend omdat de moleculen fijn moeten worden afgestemd voor efficiënte energieoverdracht, en noch antenne- noch emittermoleculen moeten hun energie op langzame wegen kunnen verliezen. De onderzoekers moesten bijvoorbeeld een antennemolecule synthetiseren die licht met een lange golflengte absorbeert en zo lang opslaat dat de energie kan worden overgedragen aan een zender. Voor dit doel was alleen een complexe, organometallische verbinding die een platina-atoom in een ringvormig molecuul bevatte geschikt. Op zijn beurt moet het emittermolecuul de energiepakketten van de antenne kunnen overnemen en vasthouden totdat een ander geëxciteerd emittermolecuul wordt gevonden voor daaropvolgende fotonfusie.

Omdat op deze manier tot nu toe ongebruikte delen van het zonlicht bruikbaar worden gemaakt voor zonnecellen, biedt deze procedure het ideale startpunt voor efficiëntere zonnecellen, hopen de wetenschappers. Om dit proces te optimaliseren en dichter bij een toepassing te brengen, testen ze nieuwe stofparen op verdere kleuren van het lichtspectrum en proberen ze te integreren in een polymeermatrix.

(Max Planck Instituut voor polymeeronderzoek, 10.10.2006 - AHE)