Op zoek naar een betere zonnecel

Een Italiaanse natuurkundige werkt in Groningen aan een nieuwe generatie zonnecellen. „De innovatie in dit vak gaat razendsnel”, zegt Maria Loi.

Fotofysicus Maria Loi met een nieuw soort zonnecel van perovskiet. Foto Kees van de Veen

Maria Antonietta Loi is opgegroeid op een van de zonnigste plekken van Italië, in het zuiden van Sardinië. Maar tegenwoordig werkt ze in het killere, nattere Groningen. Aan zonnecellen onder meer, dat dan weer wel.

Op haar werkkamer aan de Rijksuniversiteit Groningen vertelt de hoogleraar Fotofysica en opto-elektronica dat ze gedrag en eigenschappen van halfgeleiders bestudeert. Naast haar zit Jan Peter Birkner, onderzoeksmanager bij het Zernike Instituut, waar de groep van Loi onder valt. „Gewoon, om te kijken hoe het gesprek gaat”, zegt Birkner. Het Zernike Instituut komt met haar doorgaans fundamentele natuurkundige en scheikundige onderzoek relatief weinig in de media, legt Birkner uit, en zoekt manieren om dat te verbeteren.

Loi richt sinds drie jaar veel van haar onderzoek op een nieuw type zonnecel, op basis van perovskiet. Op tafel ligt een exemplaar, van zo’n 3 bij 3 centimeter, in een petrischaaltje. Perovskiet is een klasse van materialen die dezelfde kristalstructuur hebben als calcium-titanium-oxide (CaTiO3), dat begin 19de eeuw werd ontdekt door mineraloog Lev Perovski.

De verbetering van perovskiet zonnecellen gaat ongekend snel. Hoe kan dat?

Loi, in het Engels, met een Italiaans accent: „Ik heb dit eerder niet zo meegemaakt, zo snel als de verbeteringen elkaar opvolgen. De eerste perovskiet zonnecel is in 2009 gemaakt, met een efficiëntie van zo’n 3 procent. Hij zette dus drie procent van het invallende licht om in elektriciteit. Inmiddels staat het record op 21 procent. En vorige maand was ik op een conferentie waar al 24 procent werd gemeld. Hoe dat kan? In ieder geval is de competitie enorm.”

Gaat deze technologie de klassieke zonnecellen van silicium, die op de huizendaken liggen, verstoten?

„Dat verwacht ik niet. De positie van de silicium zonnecel is ijzersterk. En de industrie is heel conservatief. Als je dacht dat de auto-industrie conservatief was, de halfgeleiderindustrie is nog erger. Een meer levensvatbare optie is denk ik een combinatie van beide materialen, van perovskiet en silicium. Dus een basis van silicium, met daar bovenop een laagje perovskiet. Je kunt dan naar een efficiëntie van misschien wel 35 procent.”

Nadeel van perovskiet zonnecellen is dat ze nog niet lang stabiel blijven. Zouten in de zonnecel reageren toch met vocht in de lucht?

„We hebben buiten in de open lucht een zonnecel die al ruim drie maanden werkt. We zijn er erg enthousiast over. Net toen we het wilden aanbieden aan Nature Nanotechnology, verscheen er precies hierover een publicatie van een andere groep. Zo snel gaat het.”

Een ander nadeel is dat er lood in zit.

„Daarom pakte ik deze zonnecel net met handschoenen aan uit het bakje. Voor de veiligheid. Samen met mijn collega Thom Palstra werken we aan alternatieven voor lood, zoals tin en bismut.”

De markt voor zonnecellen wordt gedomineerd door de stijve, relatief dikke silicium zonnecellen, bekend van daken. Loi werkt juist aan een alternatieve technologie: hele dunne, flexibele zonnecellen: „Die zou je straks bijvoorbeeld kunnen verwerken in kleding. Of op bouwmaterialen: bakstenen, dakpannen, ramen.”

Het publiek-private consortium Solliance in Eindhoven heeft twee maanden geleden aangekondigd een industrieel proces te gaan ontwikkelen voor het printen van een dunne film perovskiet zonnecellen. Werkt u met dat consortium samen?

„Nee, dit soort samenwerkingen is toch vaak met lokale bedrijven. En ik ben geen ingenieur. Ik ben een natuurkundige. Ik doe vooral fundamenteel onderzoek aan halfgeleiders.

„We kijken bijvoorbeeld of het uitmaakt met welke uitgangsmaterialen je de zonnecel maakt. Perovskieten bestaan meestal uit lood, jood en methylammonium. Voor die laatste testen we nu een alternatief, formamidinium. Dat kun je op verschillende manieren maken. Afhankelijk van de uitgangsmaterialen krijg je een beter perovskiet, met minder defecten, of vallen. Dat hebben we vorige maand gepubliceerd.”

Defecten? Vallen? Wat bedoelt u?

„Niemand weet precies wat ze zijn. We weten alleen dat ze schadelijk zijn. Ze kunnen je stroom doden. Wij bestuderen hoeveel defecten bepaalde materialen hebben. En wat er precies met invallende fotonen gebeurt.”

Loi bestudeert ook andere toepassingen van halfgeleiders. Ze pakt er een artikel bij. „Dit hebben we twee weken geleden gepubliceerd in Nature Photonics. Sommige perovskieten blijken ook gevoelig voor röntgenstraling. Daar gaat dit artikel over. Dit perovskiet werkt als een heel gevoelige röntgendetector. Hij is tot wel vier keer gevoeliger dan de nu gebruikte detectoren. Denk aan biomedische toepassingen. Als van een patiënt een röntgenfoto gemaakt moet worden kan de dosis flink omlaag, omdat de detectorplaat achter de patiënt veel gevoeliger is.”

Heeft u dat gepatenteerd?

„Nee. Als je wilt patenteren moet je daar extra werk voor doen. Administratie, en misschien nog aanvullend onderzoek. Dat kost tijd. Het kan publicatie van je onderzoek vertragen. En dat wil je absoluut niet. We are always in a rush.”

Is Italië verder dan Nederland wat betreft zonne-energie?

„Italië is, samen met Duitsland, het verst. De Italiaanse regering heeft veel subsidie verstrekt, maar bouwt dat sinds een paar jaar weer af. Op Sardinië zie je trouwens vooral zonnecollectoren, die zetten zonlicht om in warmte. Zo’n installatie is een kleinere investering dan een serie zonnepanelen. Met 2.000 euro heb je voortaan je warme water voor niks.”