“Cambridge breekt een eeuwoude fysieke grens: een enkel organisch molecuul zet bijna al het licht om in stroom, en belooft de toekomst van zonne-energie volledig te veranderen.
Een team van de Universiteit van Cambridge heeft iets gedaan wat bijna een eeuw lang onmogelijk werd geacht: een enkel, eenvoudig organisch materiaal gebruiken om elektriciteit op te wekken uit licht. Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Materials, zou deze ontdekking de weg kunnen effenen voor lichtere, goedkopere en eenvoudig te produceren zonnecellen.
Traditionele zonnecellen bestaan uit twee verschillende materialen: één dat elektronen afgeeft en één dat ze opneemt. Dit is nodig om een elektrisch veld te creëren dat stroom kan opwekken. Maar het Cambridge-team ontdekte dat een enkel molecuul, P3TTM, deze taak volledig zelfstandig kan uitvoeren.”
Tot zover het begin van een artikel in het Technisch Weekblad van 3 oktober 2025.
We gaan eerst bekijken hoe gewone zonnecellen werken en daarna de nieuwe zonnecellen hiermee vergelijken.
Op de website van Natuurkunde.nl staat het artikel ‘Zonnecellen, hoe ze werken’ , dat de werking van een traditionele zonnecel uitgebreid bespreekt. We nemen een deel van dit artikel hieronder, enigszins aangepast, over:
Traditionele zonnecellen: p-n-overgang
De meeste zonnecellen zijn gemaakt van silicium. Silicium is een halfgeleider, waarvan de 4-waardige atomen in een soort diamantrooster zitten. Halfgeleiders hebben als bijzondere eigenschap dat de bindingen tussen kern en buitenste elektronen gemakkelijk verbroken worden. Dit gebeurt zelfs al bij kamertemperatuur. Op die manier komen elektronen vrij, zodat het materiaal geleidend wordt.
Niet alleen deze vrije elektronen zorgen voor de geleiding, ook de gecreëerde ‘gaten’ doen dit. Deze gaten zijn de plaatsen waar eerst een elektron zat. Zo'n gat kan door een naburig elektron worden opgevuld. Dan schuift het gat een plaats op. Dus eigenlijk is het gat te zien als een positieve lading.
a) Leg uit dat er evenveel gaten als vrije elektronen zijn.
Bij elk elektron dat vrijkomt, blijft er een gat achter.
Wanneer er in het siliciumrooster een aantal 5-waardige atomen worden opgenomen (bijvoorbeeld fosfor), dan is er bij elk 5-waardig atoom een elektron over dat niet aan de atoombinding meedoet. Zo ontstaat er een extra elektron voor de geleiding. Deze vrije elektronen zorgen ook voor de geleiding . Dit type silicium noemen we n-type silicium.
b) Leg uit dat nu alleen geleiding door middel van elektronen plaatsvindt.
Er zijn veel meer elektronen dan gaten nu. De aanwezige gaten zullen recombineren met een elektron. De overblijvende elektronen zorgen voor de geleiding.
In plaats van 5-waardige atomen in het rooster op te nemen, kunnen we ook 3-waardige atomen opnemen. Bij elk van deze atomen is er een elektron te weinig voor de atoombinding, zodat er een extra gat ontstaat. Dit type silicium noemen we p-type silicium.
Het wordt interessant als we p-materiaal in contact brengen met n-materiaal. Dan zullen de vrije elektronen uit het n-materiaal samengaan met gaten uit het p-materiaal. Dit noemen we recombineren. Zie figuur 1.
Tijdens dat recombineren gaan elektronen uit het n-materiaal naar het p-materiaal. Zo zal in het p-materiaal een dun laagje ontstaan dat negatief geladen is. Op dezelfde manier ontstaat in het n-materiaal een dun laagje dat positief geladen is. Er ontstaat dan een tegenwerkend elektrisch veld, zodat na verloop van tijd de recombinatie stopt. De twee laagjes vormen samen de p-n-overgang. Als er licht op het materiaal valt, kan een elektron eruit losgemaakt worden. Zie figuur 2.
c) Leg uit dat dit elektron in de buurt van de p-n-overgang naar het n-type materiaal zal bewegen
Het n-materiaal bij de p-n overgang is positief, omdat er elektronen uit zijn verdwenen, die gerecombineerd zijn met gaten uit het p-materiaal. Dus dat trekt elektronen aan.
d) Leg uit dat er een stroom door de weerstand zal lopen.
Het n-materiaal heeft een overschot aan elektronen en het p materiaal heeft een overschot aan gaten (oftewel elektronen tekort). Als de twee materialen uitwendig geleidend met elkaar verbonden worden, staat er een spanning over de weerstand en loopt er een stroom.
De hoeveelheid energie die nodig is om een elektron vrij te maken hangt van het materiaal af.
De situatie kan ook beschreven worden door naar de energieën te kijken. In het eindexamen VWO van 2021 stond een energieschema van een traditionele zonnecel. Zie figuur 3.
Hierin kan een (buitenste) elektron slechts in twee banden van zeer dicht bij elkaar gelegen energieniveaus bevinden: de valentieband en de geleidingsband (zie figuur 3). Daartussen zit een energiesprong, de zogeheten bandgap. In de grondtoestand van het atoom is de valentieband volledig bezet met elektronen. De geleidingsband is dan nog niet met elektronen bezet.
Een foton kan een elektron vrijmaken uit de valentieband. Dit gebeurt alleen als de energie van dat foton groot genoeg is (groter dan de bandgap). Het elektron gaat dan van een energieniveau in de valentieband naar een energieniveau in de geleidingsband. Als dit met veel elektronen het geval is en er dus veel elektronen in de geleidingsband zitten (en gaten in de valentieband), kan er een stroom gaan lopen.
De bandgap van silicium is 1,10 eV.
e) Voer de volgende opdrachten uit:
- Bereken de golflengte van een foton dat precies genoeg energie heeft om een elektron vrij te maken.
- Geef aan of dit de minimale of maximale golflengte van een foton is dat het in staat stelt om een elektron vrij te maken uit een siliciumatoom.
Er geldt: E = hc/λ . Invullen levert λ = 1130 nm. Dus het werkt voor alle golflengten kleiner dan 1130 nm.
Een percentage van de fotonen van zonlicht, dat aan bovenstaande eis voldoet, maakt een elektron vrij.
f) Zoek op hoe groot dit percentage is
Dit is momenteel tussen 15% en 22%, volgens Wikipedia.
Het artikel in het Technisch Weekblad gaat verder gaat verder over het speciale molecuul:
"Magie van fysica
P3TTM is een zogenaamd spin-radicaal organische halfgeleider. Zie figuur 4. In het hart van het molecuul bevindt zich één ongepaard elektron, dat unieke elektronische en magnetische eigenschappen geeft. Wanneer deze moleculen dicht op elkaar worden gepakt, richten de ongepaarde elektronen van naburige moleculen zich afwisselend omhoog en omlaag.
Als dit molecuul licht absorbeert, ‘springt’ een elektron naar het naastgelegen molecuul. Hierdoor ontstaan positieve en negatieve ladingen die direct als stroom kunnen worden afgetapt.”
g) Wat is het grote verschil met een traditionele zonnecel?
Er is sprake van één materiaal en niet van een overgang van twee materialen (n-type materiaal en p-type materiaal)
Dit kan schematisch worden weergegeven is een soort energieschema. Zie figuur 5.
Boven zie je schematisch een aantal moleculen vlak bij elkaar. Onder zie je dat een elektron paart met het molecuul ernaast
De energiesprong U bedraagt 1,72 eV
h) Laat zien dat zichtbaar licht het mogelijk maakt stroom op te wekken.
Er geldt E = hc/λ Invullen levert λ = 720 nm . Dus nagenoeg alle zichtbaar licht levert stroom op, want zichtbaar licht heeft golflengtes van 400 tot 700 nm, dus met kleinere golflengte of te wel grotere energie.
Het artikel sluit als volgt af.
“Bijna 100% efficiëntie
Om het proces te demonstreren, maakte het team een zonnecel bestaande uit een dunne film van P3TTM. Het resultaat was verbluffend: het apparaat behaalde een bijna-universele ladingopbrengst. Simpel gezegd: vrijwel alle geabsorbeerde fotonen werden omgezet in elektriciteit.
Wat betekent dit voor de toekomst?
De ontdekking opent de deur naar een nieuwe generatie zonnecellen die lichter, flexibeler en goedkoper zijn dan huidige technologieën. Omdat het materiaal eenvoudig te produceren is en slechts één type molecuul nodig heeft, kan dit de massaproductie van duurzame energie aanzienlijk versnellen.”
i) Bedenk een reden waarom de efficiëntie zo hoog is in vergelijking met een traditionele zonnecel.
Het proces kan plaatsvinden overal in het materiaal en niet alleen in de buurt van de p-n overgang.
