Wat een bacterie ons leert over zonnecellen

De interne structuur van de groene zwavelbacterie | Beeld Gijsbert ten Hoven, eerder gepubliceerd in The Journal of Physical Chemistry Letters

Natuurkundige Thomas La Cour Jansen van de Rijksuniversiteit Groningen onderzoekt hoe de unieke structuur van de bacterie zorgt voor zo’n efficiënte opvang en transport van lichtenergie.

“Op ongeveer honderd meter diepte bereikt nog maar weinig zonlicht de oceaan,” vertelt Jansen. “Toch kan de groene zwavelbacterie uit dat minimale licht voldoende energie halen om te overleven. Sterker nog, de bacterie benut zelfs infrarood licht dat afkomstig is van hete bronnen op de oceaanbodem.” Dankzij die bijzondere eigenschappen kan de bacterie energie opnemen uit een breed deel van het lichtspectrum en die vervolgens uiterst efficiënt doorgeven.

Structuur bepaalt efficiëntie
Om te begrijpen hoe de natuur dit voor elkaar krijgt, bestudeert Jansen de bacterie tot op moleculair niveau. Met geavanceerde computermodellen brengt hij de organisatie van de kleurstofmoleculen in kaart en onderzoekt hij hoe de structuur samenhangt met de functie. De modellen voorspellen welke golflengten van licht de bacterie absorbeert en hoe de opgenomen energie zich vervolgens door het systeem verplaatst.

Uit zijn onderzoek blijkt dat juist de complexe opbouw van de bacterie verantwoordelijk is voor de hoge efficiëntie. De kleurstofmoleculen zijn georganiseerd in verschillende structuren, waaronder spiralen, dunne buisjes en lamellen. Samen vormen zij een netwerk waarlangs energie zich gemakkelijk kan verplaatsen.

“Je kunt het vergelijken met een meerbaans snelweg,” legt Jansen uit. “De energie heeft meerdere routes om zich te verplaatsen en loopt daardoor veel minder kans om vast te lopen.”

Van bacterie naar zonnecel
Vergelijkbare structuren zijn ook terug te vinden in sommige kunstmatige materialen. Samen met collega Maxim Pshenichnikov onderzocht Jansen bijvoorbeeld Cy3, een synthetische kleurstof uit de cyaninefamilie. Ook daarin bleek de moleculaire organisatie een efficiënte route voor energietransport te creëren.

De inzichten uit deze studies kunnen bijdragen aan betere organische zonnecellen. Een belangrijk probleem daarbij is dat elektronen vaak terugvallen naar de plek waar ze vandaan kwamen, een proces dat bekendstaat als electron-hole recombination. Daarbij gaat waardevolle elektrische energie verloren.

De computermodellen van Jansen laten zien dat een gelaagde organisatie van organische moleculen dit verlies kan beperken. Door de juiste moleculaire structuur blijven elektronen zich verplaatsen en kunnen ze hun energie efficiënt afgeven, waardoor zonnecellen beter presteren.

Slim energie opslaan
De groene zwavelbacterie beschikt bovendien over een extra mechanisme dat haar efficiëntie verder vergroot: zogenoemde dark states. Deze toestanden nemen zelf geen licht op, maar fungeren wel als tijdelijke opslagplaatsen voor energie. Ze ontvangen energie van nabijgelegen lichtabsorberende moleculen en geven die vervolgens weer door.

Dat biedt een belangrijk voordeel. Moleculen die licht absorberen, zenden normaal gesproken ook weer een deel van die energie uit in de vorm van licht. Door de energie snel over te dragen aan de dark states gaat veel minder energie verloren.

“Die tijdelijke opslag voorkomt dat energie weglekt voordat die op de juiste plek aankomt,” zegt Jansen. “Dat mechanisme zou ook voor toekomstige zonnecellen heel waardevol kunnen zijn.”

Het onderzoek laat zien hoe oplossingen die de natuur in de loop van miljoenen jaren heeft ontwikkeld, kunnen bijdragen aan efficiëntere technologieën voor duurzame energie.