Nieuwe zelfassemblerende fotovoltaïsche cellen die zichzelf herstellen

Planten zijn uitstekend in zonlicht omzetten in opgeslagen energie en dit met een betrouwbaar regelmaat. Wetenschappers en ingenieurs proberen al meerdere decennia dit proces te imiteren maar zonder al te veel succes. Maar nu zijn wetenschappers van MIT er in geslaagd een belangrijk aspect van die proces na te bootsen. Eén van de problemen met het 'oogsten' van zonlicht is dat zonnestralen veel schade kunnen aanrichten aan de gebruikte materialen. Het zonlicht zorgt voor een geleidelijke afbraak van veel van de systemen die gebruikt worden om de energie van het zonlicht te benutten. Maar de planten hebben zich aangepast om dit probleem te kunnen voorkomen. Namelijk, de moleculen van de plant die het zonlicht opvangen breken constant af door het zonlicht en er worden er steeds nieuwe aangemaakt. Dit zorgt ervoor dat de basis van de structuur die de energie van de zon verzameld, steeds gloednieuw is.

Michael Strano, de onderzoeker die de leiding heeft over dit project, slaagde er samen met een team afgestudeerde studenten erin om dit proces succesvol te imiteren. Zij ontwikkelden een reeks nieuwe zelfassemblerende molecules die zonlicht direct omzetten in elektriciteit. Deze moleculen worden herhaaldelijk afgebroken door het zonlicht en worden daarna snel weer in elkaar gezet. Deze moleculen worden gevormd door er een extra oplossing aan toe te voegen of er van weg te nemen. De paper over dit project werd gepubliceerd in Nature Chemistry. Strano's idee vloeide voort uit de werking van de planten, want op een zonnige zomerdag recycleert een blad van een boom zijn eiwitten elke 45 minuten. Eén van de lange-termijn doelstellingen van het onderzoek van Strano is om methodes te ontwikkelen waarmee beginselen gevonden in de natuur na te bootsen, gebruik makend van nano onderdelen. In het geval van de moleculen die gebruikt worden voor fotosynthese in planten, het reactieve gedrag van de zuurstof die geproduceerd wordt, leidt ertoe dan de eiwitten op een erg specifieke manier afbreken. De zuurstof ontkoppelt de 'veiligheidslijn' die het eiwit bij elkaar houdt. Maar hetzelfde eiwit worden al snel terug opnieuw gevormd zodat dit proces blijft optreden. Deze actie vindt plaats binnenin kleine capsules, chloroplasten of bladgroenkorrels genaamd, die zich bevinden in elke plantencel. Chloroplasten zijn eigenlijk de 'motoren' die CO2 en licht gebruiken om glucose te produceren. Glucose is een chemische stof die energie voorziet voor stofwisseling. Een van de functies van stofwisseling is het vrijmaken van de energie uit de opgenomen stoffen.

Om dit proces te imiteren, hebben Strano en zijn team synthetische moleculen ontwikkeld, fosfolipide genaamd. Deze fosfolipide vormen verschillende schijven, deze schijven dienen als structurele ondersteuning van andere moleculen. En deze andere moleculen samen vormen de 'reactie centra', en wanneer er licht op deze reactie centra terecht komt dan worden er elektronen vrijgegeven. De schijven, die deze reactie centra ondersteunen, bevinden zich in een speciale oplossing die koolstoffen nanobuizen bevat. De speciale oplossing zorgt ervoor dat de schijven van fosfolipide zich spontaan gaat verbinden met de koolstoffen nanobuizen. Een koolstoffen nanobuis is een opgerolde laag grafiet, die dus hol is vanbinnen en deze geleidt elektriciteit vele malen beter dan kopper. De koolstoffen nanobuizen houden de schijven in een uniforme opstellingen vast. Deze uniforme opstelling laat toe dat alle reactie centra bestraald worden door het licht, en daarnaast verzamelen de koolstoffen nanobuizen de vrijgegeven elektronen en begeleiden ze de stroom aan vrijgegeven elektronen in een bepaalde richting.

Het systeem dat Strano's team heeft ontwikkeld bestaan uit zeven verschillende onderdelen, met o.a. de koolstoffen nanobuizen, de fosfolipiden en de eiwitten waaruit de reactie centra gebouwd zijn. Onder bepaalde condities, zullen deze zeven verschillende onderdelen spontaan een structuur vormen die aan de hand van licht een elektrische stroom produceert. Wanneer er dan een oppervlakte actieve stof aan de mix wordt toegevoegd, dan breken de zeven onderdelen los van elkaar en vormen een soeperige mengsel. Een oppervlakte actieve stof is een stof die de oppervlaktespanning van een vloeistof kan verlagen. Door de interactie tussen deze stof en de fosfolipide valt de ganse structuur die eerder spontaan gevormd werd uit elkaar vallen. Wanneer deze oppervlakte actieve stof dan weer verwijderd wordt uit de mix, door het mengsel door een membraan te duwen, zullen de zeven onderdelen terug spontaan de structuur, net zoals voordat de oppervlakte actieve stof er aan toegevoegd werd, vormen. Wanneer een dergelijke structuur een bepaalde tijdsduur wordt blootgesteld aan zonlicht, gaat de structuur gaan degraderen waardoor ook de geproduceerd elektrische stroom afneemt. Wanneer men de oppervlakte actieve stof er aan toevoegt en dan weer verwijdert, verkrijgt men terug dezelfde structuur maar deze is nog niet gedegradeerd door zonlicht en heeft dus nog een relatief grote productie aan elektrische stroom.

Het team onderzoekers bedacht eerst dit systeem op basis van een theoretische analyse, maar dan daarna besloten ze om een prototype cel te bouwen om de theorie uit te testen. Het prototype werd getest door het herhaaldelijke cycli van 'montage' en 'demontage' over een tijdsduur van 14 uren, en tegen het einde was er geen verlies aan rendement ten opzichte van het begin van de test. Momenteel wordt er bij de ontwikkeling van systemen die elektriciteit opwekken aan de hand van zonlicht meestal maar weinig aandacht besteed wordt aan hoe het systeem verandert gedurende zijn levensduur. Bij de conventionele zonnecellen op basis van silicium, is er maar weinig degradatie over de levensduur. Maar bij vele van de nieuwe technologieën die ontwikkeld worden, die in het algemeen goedkoper zijn, hogere rendementen hebben, soms flexibel zijn en etc, is de degradatie gedurende de levensduur wel significant.

Dit prototype die gebruikt maakt van deze nieuwe technologie, heeft een rendement van 40% voor het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Dit is zowat het dubbele als het rendement van de conventionele zonnecellen. Theoretisch gezien zou het rendement deze nieuwe technologie tegen de 100% kunnen liggen maar, bij het prototype treden er verliezen op doordat de concentratie aan de 'elektriciteit-opwekkende-structuren' in de oplossing relatief laag was. Momenteel werken de onderzoekers verder om deze concentratie zoveel mogelijk te vergroten.

De resultaten van Strano's werk en dat van zijn team, en de resultaten van de testen op het prototype tonen aan dat dit een succesvolle poging was om een belangrijk aspect van het proces waarbij planten energie halen uit zonlicht.

via [web.mit]