Superdun én goedkoop: deze zonnecellen zijn geweldig

Science noemt het de doorbraak van het jaar: zonnecellen van perovskiet // Gemaakt van simpele chemicaliën // Experimenten zijn in volle gang, de opbrengst is nu al zo hoog als bij de panelen op het dak

De oude zonnecellen zoals in deze panelen vallen in het niet bij de nieuwe zonnecellen. Foto Reuters

Bert Conings doet al jaren onderzoek naar 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 vorig jaar mei werkt hij aan een nieuw type zonnecel, op basis van het materiaal perovskiet. „Binnen drie weken had ik al een goedwerkende zonnecel. Dat is ongekend”, zegt hij.

Conings, een natuurkundig ingenieur die twee jaar geleden promoveerde, staat niet alleen. Het tijdschrift Science betitelde perovskiet zonnecellen vorig jaar als een van de tien belangrijkste wetenschappelijke doorbraken van het jaar. „Terecht”, zegt chemicus Henk Bolink die aan de Universiteit van Valencia werkt. Hij is er met zijn groep net 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 via de telefoon. Ze worden vierhonderd keer zo dun als de standaard silicium zonnecellen, zoals die bij 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.

Spotgoedkope stoffen

Perovskieten zijn een klasse van materialen die dezelfde kristalstructuur hebben als het mineraal calcium-titanium-oxide (CaTiO3), dat begin negentiende eeuw werd ontdekt. 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.

Wat dit perovskiet zo bijzonder maakt, beschrijven Henry Snaith en collega’s deze week in het tijdschrift Advanced Materials. Het perovskiet kenmerkt zich door een combinatie van drie eigenschappen die je niet zo vaak ziet, schrijven ze. Zo absorbeert het materiaal 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 dan is er nóg een gunstige eigenschap, zegt Conings op zijn laboratorium. Hij haalt uit een kastlade wat plastic potten en flessen: joodzuur, loodchloride, methylamine. „Het wordt gemaakt van spotgoedkope stoffen.”

Binnen vier jaar al

Conings geeft aan hoe snel de ontwikkelingen gaan. Normaal gesproken, 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. 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. 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 Watt per vierkante meter. Ter verduidelijking: een koffiezetapparaat vraagt al gauw 800 W, een wasmachine zit rond de 1.000 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, zodra in het perovskiet een elektron loskomt ontstaat er een gat. Bij zo’n gat – eigenlijk een plek met een elektronentekort – is het lastig nóg een elektron los te schieten. De Japanners hadden om het gat op te vullen 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. De efficiëntie schoot omhoog naar 11 procent. En de zonnecel was stabieler.

Snaith bracht vorig jaar een verdere verbetering aan. Hij bouwde een zonnecel met allemaal platte laagjes, een sandwichstructuur. De efficiëntie schoot verder omhoog naar 15 procent (Nature, 12 september 2013). Dat is al ongeveer evenveel als de standaard silicium zonnecel in de praktijk levert.

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. Het perovskiet zit in zijn zonnecel ingeklemd tussen twee dunne laagjes organisch materiaal. „Die kun je bij kamertemperatuur aanbrengen, en dus ook op plastic folies”, zegt Bolink.

Maar hoe lang gaat hij mee?

Toch hebben Conings en Bolink nog bedenkingen bij het nu veel gebruikte 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 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 het milieu-imago, en de verkoop. Conings en Bolink verwachten dat er op die problemen wel iets gevonden zal worden.

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 terugzet in de la. „Ik zal voor mezelf een niche moeten kiezen in dit onderzoeksveld, wil ik me onderscheiden. Want de concurrentie groeit snel.”