‘Scheikunde komt vaak met een negatieve bijsmaak in het nieuws. Ten onrechte! Het is zoveel meer dan pfas, plasticvervuiling of de stikstofcrisis.” Tessel Bouwens (30) heeft net drie kwartier over haar onderzoek naar moleculaire machientjes in zonnecellen zitten vertellen, en dit moet haar echt nog even van het hart. „Scheikunde heeft het leven vooral verbeterd, het heeft voeding en materialen enorm ontwikkeld. En ik denk dat scheikunde ook heel belangrijk gaat zijn om oplossingen te vinden voor problemen waar we nu tegen aanlopen, zoals de energiecrisis.”
Daar zet Bouwens zich in ieder geval voor in. Ze promoveerde in september 2021 aan de Universiteit van Amsterdam op een moleculaire ‘shuttlebus’ die zorgt dat elektronen in een innovatief soort zonnecellen op hun plek van bestemming aankomen, en maakte daarmee de zonnecellen efficiënter. Inmiddels werkt ze als postdoc aan de Universiteit van Cambridge aan vergelijkbare ideeën, in de hoop kunstmatige fotosynthese van de grond te krijgen.
Dye-sensitized solar cells, zoals de innovatieve zonnecellen heten, bestaan uit andere materialen dan de siliciumcellen die in standaard zonnepanelen zitten. Een toplaag van kleurstof is het functionele onderdeel. Als zonlicht op het pigment schijnt gaan elektronen lopen en wordt elektriciteit opgewekt. De zonnecellen zijn in allerlei kleuren te maken – die van Bouwens waren oranje – wat ze onder meer geschikt maakt om te integreren in bebouwing. Ze kunnen ook transparant zijn, waardoor ook ramen een mogelijk oppervlak worden om energie mee op te wekken. Ook fijn: ze werken al bij weinig licht.
Elektronen die niet goed bewegen
„Helaas is het rendement van deze zonnecellen stukken lager dan van silicium zonnecellen”, zegt Bouwens. „Er zijn twee typen dye-sensitized solar cells, de een haalt zo’n 15 procent rendement en de ander 2,5 procent. Dat is echt dramatisch. Op dit type heb ik me dus gericht.”
Het probleem in deze zonnecel is dat de elektronen niet in de juiste richting bewegen. Elektronen moeten van A naar B bewegen, maar ze komen vaak niet bij B aan. Ze draaien halverwege om, gaan terug naar waar ze vandaan komen en leveren geen stroom op.
„Veel mensen, onder wie mijn professor aan de UvA, zijn al langer bezig dit probleem op te lossen”, zegt Bouwens. Zij was ondertussen – bij een vak dat ze voor haar master volgde – geïnteresseerd geraakt in moleculen die kunnen bewegen, zogenoemde moleculaire machientjes. „Zo kwam ik bij rotaxanen uit, een moleculaire draad met daaromheen een ring die langs de draad kan bewegen. Dat moeten we voor die zonnecellen hebben, dacht ik, want we willen die elektronen van A naar B bewegen. Mijn professor vond het ook een goed idee. Ik heb een eigen beurs aangevraagd om dit onderzoek te kunnen uitvoeren.”
Opgeloste moleculaire ringen
De zonnecel die Bouwens ontwierp bestaat uit een glasplaatje met een halfgeleider waartegen een laagje pigmentmoleculen zit met daaraan een moleculaire draad. Daaronder zit een laagje vloeibare elektrolyt waarin de moleculaire ringen zijn opgelost. Daar weer onder zit de elektrode waar de elektronen uit het pigment via het moleculaire machientje naartoe bewegen.
„De chemische eigenschappen van de moleculen zorgen ervoor dat een elektron graag op een ring gaat zitten”, legt Bouwens uit. „En de ring wil graag aan de moleculaire draad hangen die aan het pigment zit. Ze vormen dan een supramoleculaire binding; de moleculen voelen elkaar wel, maar de binding is niet zo sterk en kan dus gauw losschieten. Dat is ook de bedoeling. Zodra de ring op zijn plaats zit aan de draad, kan het elektron overhoppen en dan wordt de verbinding automatisch verbroken waarbij de ring wordt ‘afgevuurd’. Het elektron is dan van plek A vertrokken. Op de plek waar de ring zat, gaat een nieuwe ring zitten. Er is dus geen weg terug. Het elektron moet wel naar punt B.”
„Het was een ambitieus idee, ik moest zowel over zonnecellen als moleculaire machines genoeg weten. Dan weer lukte het niet om een zonnecel te maken, dan weer niet om het pigment goed te krijgen. Pas aan het einde van mijn PhD kwam alles samen. En toen moest ik nog bewijzen dat het werkte. Aan de UvA konden we dat niet goed meten. Gelukkig had de Universiteit Twente net nieuwe apparatuur waarmee dat wel kon. Zonder hun hulp had ik het bewijs niet kunnen leveren.”
Nieuwe beurs aangevraagd
Er zit nog meer in het vat. „Ik heb nog veel ideeën die ik wil uitvoeren. Uiteindelijk kun je deze zonnecellen ook gebruiken voor chemische synthese, daarbij wordt een bepaald molecuul omgezet in een ander molecuul. Planten doen iets vergelijkbaars bij fotosynthese; onder invloed van licht zetten ze simpele moleculen om in complexe moleculen. Na mijn promotie heb ik een nieuwe beurs aangevraagd en daarmee zit ik nu voor twee jaar in Cambridge bij een onderzoeksgroep die hiermee bezig is.”
„Ik vind onderzoek doen heel mooi. Met scheikunde maak je iets wat nog nooit iemand gemaakt heeft. Maar werken in de academische wereld brengt ook lastige dingen mee, zoals de tijdelijke beurzen. Mijn beurs hier loopt over een half jaar af, ik ben nu op meerdere plekken in Europa aan het kijken hoe ik verder kan. Ik weet nu nog niet waar ik volgend jaar woon.”
/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data122959764-5b6074.jpg|https://images.nrc.nl/APoOqx4USBNK9FmBIOFsbVOSgCU=/1920x/filters:no_upscale()/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data122959764-5b6074.jpg|https://images.nrc.nl/2QYuFi7siMB5MFGpzsmvMIkp_N0=/5760x/filters:no_upscale()/s3/static.nrc.nl/images/gn4/stripped/data122959764-5b6074.jpg)
