Fotogevoelige verf laat metaal als planten werken

Britse onderzoekers en staalproducent Corus hebben de handen ineengeslagen om zonne-energie te winnen uit fotogevoelige verf die op staal wordt aangebracht. Ze maken hierbij gebruik van een proces dat sterk lijkt op fotosynthese, de manier waarop planten aan hun energie komen.

Het idee bestaat eruit dat een paar lagen speciale verf met ieder specifieke eigenschappen op staal wordt aangebracht. Het lijkt op het eerste gezicht te absurd voor woorden dat verf iets kan doen dat een plant imiteert, maar eigenlijk is het idee gebaseerd op een al vrij oud concept. De Zwitser Michael Grätzel ontwikkelde samen met Brian O’Regan namelijk al in 1991 een zonnecel op basis van fotogevoelige elektrochemische processen. Dit type zonnecellen wordt sindsdien naar de Zwitser vernoemd: Grätzel zonnecellen. Een groot voordeel van dit type zonnecellen is dat ze relatief goedkoop zijn te maken. Daar staat tegenover dat ze op dit moment nog een lager rendement hebben (10 procent) dan zonnecellen op basis van silicium (14 tot 17 procent).

Een Grätzel zonnecel is opgebouwd uit een aantal lagen. De buitenste laag is een doorzichtige beschermlaag van glas of plastic. Direct daaronder ligt een eveneens doorzichtige laag, die de elektronen geleid. Tegen deze geleiderlaag licht een dun laagje grafiet. Het midden van de Grätzel zonnecel wordt gevormd door een relatief dikke elektrolytische laag, een zoutoplossing die kan variëren van samenstelling. Daar weer onder zit een doorzichtige laag titaniumoxide, die weer wordt beschermd door een doorzichtige laag glas of plastic. Op het grensvlak van de laag titaniumoxide en de elektrolyt liggen titaniumoxide moleculen waaromheen een laagje fotogevoelige kleurstof zit.

Zonlicht dringt door de doorzichtige beschermlaag en de laag titaniumoxide heen en valt op de dunne laagjes fotogevoelige kleurstof op de titaniumoxide moleculen. De elektronen in de kleurstof worden hierdoor op een hoger energieniveau gebracht. De elektronen komen daardoor terecht in de geleidende laag onderin de zonnecel, de minpool. Er ontstaat nu een potentiaalverschil met de pluspool. Als beide polen met elkaar worden verbonden via een apparaat of een weerstand, gaan de elektronen van de minpool naar de pluspool lopen (stroom). Op de pluspool ontstaat daardoor op den duur eveneens en overschot aan elektronen en die willen weer naar de positief geladen titaniumoxide moleculen omdat daaruit elektronen zijn ontsnapt naar de minpool. Het grafietlaagje dient daarbij als katalysator (aanjager) van de overdracht tussen pluspool en de positief geladen moleculen. De titaniumoxide moleculen geven deze elektronen uiteindelijk af aan de fotogevoelige kleurstof en daarmee is het stroomcircuit gesloten.

Staalconcern Corus en onderzoekers van vier verschillende Britse universiteiten hebben een methode bedacht om het hiervoor geschetste principe van een Grätzel zonnecel na te bootsen met behulp van verflagen. De zonnecel bestaat uit een dragende onderlaag verf, een verflaag met daarin de lichtgevoelige kleurstof, een elektrolytische verflaag met titaniumoxide moleculen erin en een beschermende, doorzichtige verflaag daarbovenop. Het principe is daarbij hetzelfde als bij de originele Grätzel zonnecel: zonlicht (fotonen) vallen op de lichtgevoelige kleurstof, waardoor elektronen vrijkomen die verzameld worden in de elektrolytische titaniumoxide verflaag. Die verzameling elektronen zorgen voor een potentiaalverschil met de laag met lichtgevoelige kleurstof erin, enzovoort.

De samenwerking van Corus en de Britse onderzoekers bestaat eruit dat de verflagen volledig geautomatiseerd op staal worden aangebracht tijdens de productie van de staalplaten. Als dit productieproces volledig is uitgekristalliseerd, zou de volledige staalproductie van Corus in principe kunnen worden aangewend voor de fabricage van zonnecellen. Gezien de jaarproductie van 100 miljoen vierkante meter staalplaat en het geclaimde rendement van ongeveer 10 procent, zou Corus jaarlijks een hoeveelheid zonnecellen kunnen maken met een gezamenlijk vermogen van maar liefst 10 gigawatt. Dat is het vermogen dat nodig is om maar liefst 100 miljoen lampen van 100 watt te laten branden!

Dit betekent overigens nog niet dat we hier te maken hebben met een uitvinding die de energiewereld direct op z’n grondvesten doet schudden. De berekening is in de eerste plaats gebaseerd op de maximale energie die deze zonnecellen kunnen leveren. De zon schijnt echter lang niet overal even lang en fel, dus zal de opbrengst in werkelijkheid lager zijn. Een onzekere factor is ook de levensduur van de verflagen. Eigenlijk moeten die lagen levenslang meegaan, want het eraf halen van verweerde lagen en weer opnieuw aanbrengen van verse lagen lijkt geen optie. Corus vermeldt ook niet hoeveel deze ‘verfzonnecellen’ kosten. Ook kunnen er vraagtekens gezet worden bij de weersbestendigheid van het staal dat de zonnecel moet dragen. Een roestende onderlaag betekent naar alle waarschijnlijkheid het einde van een goed werkende zonnecel.

Corus heeft verder nog geen details vrijgegeven over de manier waarop de zonnecellen in de echte wereld toegepast gaan worden. Toepassen van grote staalplaten op bijvoorbeeld muren is volgens experts geen optie. Een zonnecel van 10 vierkante meter zou bijvoorbeeld een spanning van slechts 0,5 volt en vele honderden Ampères opleveren. Daar hebben we dus niets aan. Om een bruikbaar voltage te verkrijgen, moet een groot aantal kleine cellen in serie worden geschakeld, zodat de spanningsverschillen tussen de individuele cellen bij elkaar kunnen worden opgeteld. Dit soort in serie geschakelde complexen van cellen zijn echter weer gevoelig voor ‘wanprestaties’ van individuele cellen. Als een deel van het oppervlak in de schaduw ligt, leveren die zonnecellen weinig stroom, waardoor het totale rendement van het complex onaanvaardbaar kan inzakken. technische en praktische bedenkingen genoeg, maar dit neemt niet weg dat de techniek op zich veelbelovend is.

Scroll Up

Pin It on Pinterest