Perovskiet zet het klassieke zonnepaneel in de schaduw

Experimentele zonnecellen van het voordelige materiaal perovskiet zijn door Science betiteld als doorbraak van het jaar. Hun opbrengst is nu al zo hoog als van de zonnepanelen op het dak.

‘Binnen drie weken had ik al een goed werkende zonnecel. Dat is ongekend”, zegt Bert Conings. Conings doet al jaren onderzoek aan allerlei typen zonnecellen aan de Universiteit van Hasselt. Hij zegt dat hij zich niet kan herinneren dat hij eerder zo enthousiast is geweest als in het afgelopen jaar. Want sinds mei werkt hij aan een nieuw type zonnecel, op basis van het materiaal perovskiet.

Natuurkundig ingenieur Conings staat niet alleen. Het tijdschrift Science betitelde perovskiet zonnecellen vorig jaar als een van de tien belangrijkste wetenschappelijke doorbraken. „Terecht”, zegt chemicus Henk Bolink die aan de Universiteit van Valencia werkt. Hij is er met zijn groep juist in geslaagd een flinterdunne, perovskiet zonnecel te maken op een ondergrond van PET, de kunststof waarvan ook frisdrankflessen worden gemaakt. Daarmee komen buigbare zonnecellen in het verschiet, zegt Bolink. Ze worden 400 keer zo dun als de standaard silicium zonnecellen, zoals die bij de meeste mensen op het dak liggen. Bolink is in overleg met een Duits bedrijf om een productielijn op te zetten waarbij de flexibele zonnecellen op rol geproduceerd gaan worden.

Perovskieten zijn een klasse van materialen die dezelfde kristalstructuur hebben als calcium-titanium-oxide (CaTiO3), dat begin 19de eeuw werd ontdekt door mineraloog Lev Perovski. De verbindingen zijn al lang bekend, maar werden pas in 2009 voor het eerst toegepast in een zonnecel. Het tot nog toe meest gebruikte perovskiet is een verbinding met onder meer ammoniak, lood en jood (CH3NH3PbI3).

Wat dit perovskiet zo bijzonder maakt, beschrijven Henry Snaith en collega’s deze week in het tijdschrift Advanced Materials. Snaith is verbonden aan de universiteit van Oxford en een van de toonaangevende onderzoekers in dit veld. Het perovskiet kenmerkt zich door een combinatie van drie eigenschappen, schrijven ze.

Het materiaal absorbeert allereerst veel zonlicht. De ingevangen energierijke lichtdeeltjes (fotonen) schieten in het perovskiet vervolgens elektronen los, en die worden door het materiaal opvallend goed geleid. De derde eigenschap heeft eveneens met de elektronen te maken. Als een elektron wordt losgeschoten laat dat een zogeheten ‘gat’ achter. Elektronen hebben de neiging dat gat weer op te vullen, maar hoe snel ze dat doen, verschilt per materiaal. In het perovskiet blijkt die neiging opmerkelijk laag. Elektronen hebben dus veel bewegingsvrijheid.

En er is nóg een gunstige eigenschap, zegt Conings op zijn lab. Hij haalt uit een kastlade wat plastic potten en flessen. Op de etiketten staan namen als joodzuur, loodchloride, methylamine. „Allemaal spotgoedkope stoffen”, zegt Conings. Een perovskiet zonnecel is niet alleen eenvoudig te maken, maar ook heel goedkoop.

Breed spectrum

Conings geeft aan hoe snel de ontwikkelingen gaan. Gewoonlijk, zegt hij, zit er al gauw tien jaar tussen het moment waarop een materiaal voor het eerst in een zonnecel wordt toegepast, tot aan de productie van een redelijk werkende zonnecel. Met perovskiet kostte dat minder dan vier jaar.

Japanse onderzoekers hadden in 2009 de primeur. Ze gebruikten de verbinding als lichtvanger, maar nog niet als halfgeleider. Het viel de Japanners op dat perovskiet een breed spectrum van golflengten absorbeert, tussen de 400 en 800 nm. Dat is iets meer dan het spectrum van zichtbaar licht. Ze noemden het materiaal ‘veelbelovend’.

Hun zonnecel had nog een betrekkelijk lage efficiëntie van rond de 3 procent. Dat getal geeft aan hoeveel vermogen een zonnecel kan leveren, afgemeten aan de hoeveelheid invallend zonlicht. Die instraling is standaard zo’n 1.000 watt (W) per vierkante meter. De silicium zonnecel, zoals die bij de meeste mensen op het dak ligt, komt in de praktijk uit op een efficiëntie van 15 procent. Omgerekend is dat 150 W per m2. Ter verduidelijking: een koffiezetapparaat vraagt al gauw 800 W.

De zonnecel die de Japanners in 2009 hadden gemaakt, werd drie jaar later nagebouwd door Henry Snaith. Met een kleine, maar ingrijpende aanpassing. Zoals eerder gezegd ontstaat er een gat in het perovskiet zodra er een elektron los komt. Bij zo’n gat – eigenlijk een plek met een elektronentekort – is het lastig nóg een elektron los te schieten. Dat zou erg veel energie kosten. Daarom moet het gat opgevuld worden. De Japanners hadden daarvoor in hun zonnecel als elektronenleverancier een laagje met een vloeibare elektrolyt toegevoegd. Nadeel daarvan was dat het perovskiet daarin oploste, waardoor de zonnecel snel zijn werking verloor. Snaith verving die vloeibare elektrolyt door een vaste stof (Science, 2 november 2012). De efficiëntie schoot omhoog naar 11 procent. En de zonnecel was stabieler.

Platte laagjes

Snaith bracht vorig jaar een verdere verbetering aan. Het perovskiet was tot dan toe aangebracht op een poreuze laag van piepkleine korreltjes titaniumdioxide. Het titaniumdioxide diende als halfgeleider. Snaith ontdekte dat hij die poreuze, grillige laag van titaniumdioxide helemaal niet nodig had. Hij bouwde een zonnecel met allemaal platte laagjes, een sandwichstructuur. De efficiëntie steeg verder, naar 15 procent (Nature, 12 september 2013). Dat is al ongeveer evenveel als de standaard silicium zonnecel in de praktijk levert – in het laboratorium, onder ideale omstandigheden, bereikt hij 25 procent.

Op zijn lab in Hasselt zegt Conings dat hij ook net zo’n sandwichstructuur heeft gemaakt. Volgens hem heeft deze opbouw in vlakke lagen de toekomst. „Omdat hij relatief eenvoudig te maken is.”

In Valencia heeft Bolink zijn eigen aanpassingen doorgevoerd. De laatste zonnecel die Snaith maakte, zegt hij, bevat nog steeds titaniumdioxide, verwerkt als een compact, vlak laagje. Dat proces vergt veel energie. Bolink is er met zijn groep in geslaagd het titaniumdioxide te vervangen. Het perovskiet zit ingeklemd tussen twee dunne laagjes organisch materiaal (Nature Photonics, 22 december 2013). „Die kun je bij kamertemperatuur aanbrengen, en dus ook op plastic folies”, zegt Bolink.

Toch hebben Conings en Bolink nog bedenkingen bij het perovskiet. Hoe lang blijft het zijn werk goed doen in een zonnecel? Want het zout in de verbinding trekt water uit de lucht aan, en vormt klonters. „Vocht is een killer voor deze zonnecel”, zegt Conings. De oplossing is om de zonnecel luchtdicht af te sluiten met een folie. Maar dat maakt het productieproces duurder. Daarnaast bevat het perovskiet ook lood. Het gaat om minieme hoeveelheden, maar het kan toch effect hebben op zijn milieu-imago, en de verkoop.

Intussen gaan er geruchten dat Amerikanen erin zijn geslaagd een perovskiet zonnecel te bouwen met een efficiëntie van 19 procent. Zo snel gaat het, zegt Conings op zijn lab, terwijl hij de potten en flessen chemicaliën weer terug zet in de la. „Ik zal voor mezelf een niche moeten kiezen in dit onderzoeksveld, wil ik me onderscheiden. Want de competitie groeit snel.”

    • Marcel aan de Brugh