Perovskiet: mogelijk een nieuw wondermateriaal voor zonnecellen

Een in 1839 al ontdekt kristal vormt, naar nu blijkt, een uitstekende en spotgoedkope basis voor zonnecellen. Internationaal een hype: het regent wetenschappelijke artikelen erover. Nu zijn Nederlandse labs er ook opgedoken.

Erik Garnett, van instituut Amolf voor fundamenteel onderzoek. Beeld Sanne de Wilde
Erik Garnett, van instituut Amolf voor fundamenteel onderzoek.Beeld Sanne de Wilde

Het ziet er in alle eerlijkheid niet echt uit als een revolutie, de twee bruinige glasplaatjes op postzegelformaat die hoogleraar fysische chemie René Janssen van de TU Eindhoven in een petrischaaltje op tafel zet. Op de glimmende metaalcontacten na lijken ze vooral een beetje smoezelig, de eerste producten van de pogingen in zijn groep om zogeheten perovskiet-zonnecellen te maken.

Geen hightech aan, lijkt het. En toch, zegt Janssen, is dit hier een potentiële revolutie.

In een paar jaar tijd zijn zonnecellen op basis van de nieuwe verbinding van een efficiency van een paar procent naar ruim over de 20 procent gegaan in sommige labs. Dat is in de wereld van de omzetting van zonlicht naar elektriciteit nog nooit vertoond. De gangbare zonnecellen van silicium halen onder ideale omstandigheden 25 procent, en daar is decennia aan gesleuteld.

Zo'n spectaculaire entree maakt veel los. Janssen klapt zijn laptop open en tikt in de digitale tijdschriftendatabank de steekwoorden 'solar cell perovskite' in. Na een fractie van een seconde staan er alleen over het voorgaande jaar internationaal al meer dan zeshonderd wetenschappelijke artikelen klaar. Het jaar ervoor was dat nog misschien eenvijfde, daarvoor is er haast niks.

René Janssen, zonnecelonderzoeker in Eindhoven. Beeld Sanne de Wilde
René Janssen, zonnecelonderzoeker in Eindhoven.Beeld Sanne de Wilde

Prematuur

Internationaal zijn perovskieten zonder meer een hype, zegt Albert Polman, oud-directeur van het FOM-instituut Amolf (voor fundamenteel onderzoek) in Amsterdam en een specialist in de interactie van licht en nanomaterialen. Bij Amolf wordt niet alleen gewerkt aan perovskiet-zonnecellen, maar ook aan leds (met Philips). Omdat licht niet alleen stroom kan maken, maar stroom ook licht. 'Er gebeuren talloze dingen waarvan we twee jaar geleden werkelijk nog geen idee hadden. Het gaat zo snel, het kost moeite het allemaal bij te houden.'

Vorig najaar waarschuwde Polman in het kader van een grote zonnecelconferentie in de RAI in Amsterdam toch maar even dat het kind niet met het badwater weg moet worden gegooid. 'De suggestie dat de gangbare silicium-zonnecellen hebben afgedaan, is echt te prematuur. Perovskieten, hoe opwindend ook, staan nog in de kinderschoenen.'

De geschiedenis van perovskiet is hoe dan ook een wonderlijke en begint bij een buitenbeentje in de zonnecelwereld: professor Michael Grätzel van de Technische Hogeschool in Lausanne, Zwitserland. Gewone zonnecellen bevatten zogeheten halfgeleiders zoals silicium, waarin zonlicht elektronen kan losslaan die uit het materiaal kunnen worden getrokken en zo een stroom leveren.

Grätzel (70) maakt ook zonnecellen, maar dan totaal anders.

De Zwitserse elektrochemicus, opgeleid in Berlijn, maakte naam met zogeheten kleurstofzonnecellen, waarin een verfachtige organische vloeistof met titaanoxide elektronen loslaat als er zonlicht op valt, een proces dat wel wat wegheeft van de fotosynthese in planten. Om die elektronen te verzamelen en als stroom te benutten, worden sinds jaar en dag poreuze materialen gebruikt die het contactoppervlak met de vloeistof zo groot mogelijk maken.

De Grätzel-cellen worden op bescheiden industriële schaal geproduceerd en toegepast. Het rendement ervan is redelijk en ze kosten haast niks, zeker vergeleken met halfgeleiderzonnecellen als silicium of gallium-arsenide. Nadeel is echter dat er vloeistof in zit. Dat maakt ze kwetsbaar. Ze kunnen lek raken. Bevriezen als het tegenzit.

Die kwetsbaarheid is de reden dat de laatste tien jaar intensief is gezocht naar kleurstofzonnecellen met alleen maar vaste materialen. Japanse onderzoekers ontdekten als eersten dat een bepaalde methylammonium-lood-joodverbinding een interessante optie kon zijn. Die verbindingen vormen zoutkristallen met een bijzondere opeenstapeling van lood en jood-atomen, die ooit vernoemd is naar de in eigen land beroemde Russische mineraloog Lev Perovski (1792-1865). Het oermodel van die perovskieten werd in 1839 in de Oeral in een gesteente ontdekt en door Perovski beschreven. De kristalletjes ogen nauwelijks bijzonder, maar blijken te bestaan uit twee kristalsoorten die letterlijk door elkaar heen liggen. Het methylammonium houdt de twee bij elkaar.

Creatief met Perovskiet

Detectoren

Behalve om stroom te maken kunnen perovskiet-achtige zonnecellen ook worden gebruikt als goedkope sensoren voor lichtdetectie, van meetapparatuur tot beveiliging. Onder meer de Groningse fysicus Maria Loi werkt daaraan.

Led

In een perovskiet slaat licht relatief gemakkelijk elektronen van hun plaats, waardoor in het kristal een elektrische spanning ontstaat. Omgekeerd kan een elektrische spanning ook elektronen op lege plaatsen duwen, waardoor een lichtflits wordt uitgezonden. Dat proces wordt al jaren toegepast in lichtgevende diodes, leds. Onderzoekers bekijken wereldwijd wat perovskieten daarbij te bieden hebben. Normale leds zijn speldeknopjes; mogelijk zijn met perovskieten hele oppervlakken tegelijk lichtgevend te maken. Bijvoorbeeld Philips doet hier samen met FOM Amolf onderzoek naar.

Lasers

Het procédé waardoor een perovskiet onder spanning als een led licht geeft, kan nog verder worden verfijnd, waardoor er maar één kleur licht uitkomt en de lichtgolven keurig in de pas lopen. In dat geval is er sprake van een laser. De laatste jaren hebben wereldwijd verschillende groepen perovskietlasers laten zien. De toepasbaarheid is nog onduidelijk. Goedkoop zijn ze waarschijnlijk wel.

Elektrolyse

De groep van pionier Michael Gräzel in Lausanne haalde vorig jaar het nieuws met een systeem van perosvkiet-achtige elektroden dat water splitst in waterstof en zuurstof. Waterstof is een handige brandstof voor schone voertuigen. Helaas lijkt de combinatie van perovskietzouten en water nog geen heel gelukkige.

Supergeleiding

In 1986 ontdekten wetenschappers van het IBM-lab in Zürich dat sommige keramische materialen bij betrekkelijk bescheiden afkoeling geen elektrische weerstand meer hebben. Tot dan lukt dat alleen bij metalen als kwik en extreem lage temperatuur. In sommige keramische materialen blijken perovskietachtige kristalstructuren bepalend voor het elektrische gedrag. In diverse labs wordt daaraan nu driftig gesleuteld, in de hoop een supergeleider te vinden die werkt bij kamertemperatuur. Dat zou stroomnetten zonder verliezen mogelijk maken en elektromagneten op zakformaat.

Elektrische stroom

Dat dergelijke zouten bijzondere elektrische eigenschappen kunnen hebben, is al decennia bekend. Ze spelen bijvoorbeeld een sleutelrol in de moderne keramische supergeleiders, die al bij relatief kleine afkoeling geen enkele elektrische weerstand meer hebben. In sommige MRI-scanners zijn ze in de elektromagneten verwerkt. Klassieke supergeleiders als kwik vertonen dat kunstje pas in de buurt van het absolute nulpunt: min 273 graden, een temperatuur waarbij schaars en peperduur vloeibaar helium nodig is.

In loodjodide-perovskiet verzamelen de elektronen van de aanwezige atomen zich in een soort collectieve pool in het kristal. Als er zonlicht invalt, kan er een elektron boven de pool worden uitgetild, dat naar een elektrisch contact wordt getrokken. In de pool blijft per saldo een positief geladen lege plek over. Die blijkt in het perovskiet net zo gemakkelijk naar het tegenoverliggende contact te bewegen. Netto begint er een elektrische stroom te lopen.

Dat is precies wat er in halfgeleiders als silicium gebeurt en vormt dus een potentiële basis voor zonnecellen, realiseerden de Japanners zich in 2009 als eersten. Erg efficiënt waren hun probeersels echter nog niet.

Dat veranderde toen de Britse onderzoeker Henry Snaith van de universiteit van Oxford niet langer een dikke poreuze laag van het materiaal voor een zonnecel gebruikte, maar het probeerde met een dunne laag. Het resultaat was opmerkelijk: binnen de kortste keren werden omzettingsrendementen van meer dan 10 procent gezien.

Dat, zegt zonnecelonderzoeker René Janssen in Eindhoven, was het moment dat bij experts de wenkbrauwen omhoog begonnen te gaan. Drie jaar geleden, zegt hij, organiseerde hij een zonneconferentie in Sevilla, met de eerste sessie over perovskieten ooit. Er waren vier papers, onder meer een van Snaith, en al wel meteen driehonderd toehoorders.

Een jaar later, in Boston, waren er al tientallen presentaties en puilde de gekozen zaal uit van de belangstellenden. Rond dezelfde tijd gingen de gerapporteerde rendementen al naar de 20 procent.

Het geheim van lood-jood-perovskieten moet in hun kristalstructuur zitten. De exotische zoutkristallen, is het idee, werken als een halfgeleider doordat de loodiodide-ionen precies op de juiste manier ingebouwd zitten tussen de methylammonium-ionen. Als hij eerlijk is, zegt Erik Garnett van Amolf, is niet precies bekend waarom perovskieten zo goed werken in zonnecellen. 'Omgekeerd maakt dat ze heel interessant voor fundamenteel onderzoek.'

Inmiddels is ook de magische rendementsgrens van 20 procent al ruim gepasseerd, althans dat claimen diverse onderzoekers. Janssen in Eindhoven is daar wel wat terughoudend over. Het meten van zulke rendementen blijkt erg afhankelijk van de details en de gebruikte methodes. 'Er wordt iets te makkelijk geclaimd, is mijn indruk.'

null Beeld .
Beeld .

Goedkoop kan duurkoop blijken

Nog belangrijker, zegt in Amsterdam zijn collega Albert Polman van Amolf, is de vraag of zulke rendementen in de praktijk stand houden. Van reguliere zonnecellen van silicium of galliumarsenide is aangetoond dat ze tientallen jaren meegaan. Van perovskieten weet nog niemand dat. 'Het zijn zouten, die erg vochtgevoelig zijn zodat ze extreem goed ingepakt moeten zijn. En wat er onder jarenlange zonnestraling en opwarming gebeurt, is gewoon nog niet onderzocht.' Tenslotte kan ook nog een probleem zijn dat er lood in zit, een giftige stof waarmee voorzichtig moet worden omgesprongen. Helemaal vermijden zou nog beter zijn, zegt Polman.

Hij probeert hoe dan ook het hoofd koel te houden. Lage kosten zijn bijvoorbeeld lang niet het enige wat bepaalt of perovskieten de toekomst van de zonne-energie zijn. 'Uiteindelijk gaat het om de kosten per kilowatt-uur stroom uit de zon. Daarin speelt niet alleen de prijs van de cellen een rol, maar ook hun efficiency. Een heel effectieve cel mag per saldo best wat kosten. Goedkoop kan ook gewoon duurkoop blijken.'

In zijn Eindhovense lab laat Janssen intussen zien hoe eenvoudig een perovskiet-zonnecel te maken is. Een medewerker met handschoenen aan laat achter de glazen ruit van een zuurkast een druppeltje van een oplossing op een glasplaatje vallen dat in een centrifuge om zijn as draait. Spin-coating heet dat. Door de middelpuntvliedende kracht verspreidt het spul zich in een nette dunne film over het glas en kristalliseert daar. Het schoonmaken en aanbrengen van contactlagen is meer werk, maar in dit soort labs eigenlijk ook niks bijzonders.

Bij de experimenten in Eindhoven wordt bijvoorbeeld bekeken hoe gemakkelijk de lichtgevoelige lagen elektronen losmaken en hoe ver die vrij door het materiaal reizen, afhankelijk van de samenstelling, laagdiktes en andere omstandigheden. Dat alles samen bepaalt de efficiency van de zonnecellen die ermee gemaakt kunnen worden.

De eerste probeersels in Eindhoven halen 10 procent efficiency. Bepaald nog geen record. Maar wel een klein mirakel, zegt Janssen, aangezien hij er nog nauwelijks serieus aan heeft geknutseld. 'Ze doen het meteen, dat geeft moed.'

Het is voor Janssen niettemin een dilemma hoe hard hij en zijn medewerkers nu echt in de perovskieten moeten duiken, bekent hij. Tot nog toe werkt hij vooral aan plastic zonnecellen, die op folies kunnen worden toegepast. 'Perovskieten zijn een fantastisch nieuw onderwerp, maar het is nu heel moeilijk om nog iets echt nieuws te doen, als er al zoveel gebeurt. De concurrentie gaat keihard. Wij doen het alleen als we Champions League kunnen spelen. Zaterdagamateurs kan iedereen.'

Meer over

Wilt u belangrijke informatie delen met de Volkskrant?

Tip hier onze journalisten


Op alle verhalen van de Volkskrant rust uiteraard copyright. Linken kan altijd, eventueel met de intro van het stuk erboven.
Wil je tekst overnemen of een video(fragment), foto of illustratie gebruiken, mail dan naar copyright @volkskrant.nl.
© 2021 DPG Media B.V. - alle rechten voorbehouden