Wat een bacterie ons leert over zonnecellen

Een zonnecel is zoveel méér dan zijn efficiëntie

Protesescu is ook van plan om een materiaal te ontwikkelen dat als een soort drie-lagen-inkt een hele zonnecel ineen bevat. Hiervoor ontving ze onlangs een subsidie van NWO, waarmee ze de komende vijf jaar aan zo’n inkt kan werken. ‘Een zonnecel bestaat uit de actieve laag, waar perovskieten zonlicht omzetten in een elektrische lading’, beschrijft Protesescu, ‘Die actieve laag zit gesandwiched tussen twee buitenlagen die de elektrische lading afvoeren.’ In de drie-lagen-inkt die Protesescu wil ontwikkelen, zijn alle materialen voor zo’n sandwich al aanwezig.

Het is de bedoeling dat de verschillende componenten van de inkt de juiste positie innemen door een invloed van buitenaf, zoals het veranderen van zuurtegraad of temperatuur. ‘Net zoals de “magische cake” die ik altijd bak met mijn kinderen. Ik maak dan één beslag, maar in de oven – die precies op 150 graden moet zijn – zakken de zwaardere ingrediënten naar de bodem, krijg je een romige middenlaag, en een luchtige bovenlaag. Zo zie je maar: ook met een simpel proces kun je iets ingewikkelds maken.’

Protesescu wil een soort inkt ontwikkelen die je alleen maar hoeft uit te smeren om een zonnecel te maken, omdat de verschillende lagen zich vanzelf vormen. Een beetje zoals deze drielagen-cake uit één beslag die ze soms met haar kinderen bakt.

‘Nu moeten we nog de stap maken van één klein kristalletje naar een hele zonnecel,’ vertelt Protesescu. Want haar werk speelt zich voornamelijk af op nano-schaal: haar groep ontwikkelt nieuwe perovskieten in het klein en bestudeert in het lab hun eigenschappen zoals structuur, stabiliteit, en de reactie van de materialen op licht. Om te onderzoeken hoe deze nieuwe materialen zich gedragen in echte toepassingen – zoals LEDs, zonnecellen of fotodetectors – maakt Protesescu er dunne laagjes (thin films) van. Die bouwt ze vervolgens in in werkende apparaten, om hun eigenschappen en efficiëntie te kunnen testen.

Hoewel de term perovskiet van oorsprong slaat op een mineraal met een heel specifieke structuur (zie kader), gebruiken we de term perovskieten ook om de familie van materialen met gelijksoortige structuur aan te duiden. Door te zoeken naar andere atomen die in dezelfde structuur passen, ontwikkelen Protescescu en haar collega’s nieuwe perovskieten: die moeten stabieler zijn, maar met behoud van de positieve eigenschappen. 

Lood vs tin
Een goede kanshebber om de perovskieten loodvrij te maken, is tin. Recent presenteerde RUG-hoogleraar Maria Loi lood-tin perovskieten die licht in stroom omzetten met een efficiëntie van 25,9 procent. ‘Dat is momenteel de state-of-the-art in het vakgebied,’ vertelt Protesescu, die nauw samenwerkt met Loi. Protescescu werkt aan tin-gebaseerde nanostructuren, en haar promovendus Julia Kraft wist met succes álle lood-atomen te vervangen door tin.

De structuur van een perovskiet | Beeld Loredana Protesescu

Dit doorzichtige vierkantje bestaat uit het nieuwe materiaal dat Castelnovo en Maniar hebben ontwikkeld als groenere beschermlaag voor zonnepanelen | Beeld Marta Castelnovo

Alle zonnepanelen hebben een kunststof beschermlaag onder de glazen bovenlaag die wij als gebruikers aan de buitenkant zien zitten. Dat geldt voor perovskieten, maar ook voor de panelen die op je dak liggen. Die laag moet de werkzame materialen beschermen tegen weersinvloeden en een beetje kunnen meegeven bij butsen of uitzetting.

Die beschermlaag is nu doorgaans gemaakt van EVA, een schuimrubberachtig soort plastic, gemaakt van fossiele grondstoffen. ‘Het is het materiaal waarvan ook yogamatten worden gemaakt, of van die puzzelmatten voor kinderen,’ vertellen RUG-scheikundigen Marta Castelnovo en Dina Maniar. Onder begeleiding van Maniar zoekt promovenda Castelnovo naar een groener alternatief voor EVA: bio-gebaseerd en beter te recyclen.

Zo’n alternatief moet wel aan een heel aantal voorwaarden voldoen: het mag geen warmte of elektriciteit geleiden, het moet beschermen tegen UV-licht en water, maar wel doorzichtig zijn, en stootbestendig. En ook bij lage temperaturen moet het niet broos worden. Castelnovo en Maniar zoeken naar alternatieven die uit twee bouwstenen bestaan – zoals dat ook bij EVA het geval is – zodat ze door het finetunen van de verhoudingen van de twee bouwstenen de gewenste eigenschappen kunt verkrijgen.

Castelnovo heeft inmiddels een materiaal ontwikkeld op basis van suikers – dat kunnen restproducten uit de voedingsindustrie of hout zijn – met rubberachtige eigenschappen. ‘Dit is een echte stap vooruit,’ vertelt Maniar. ‘Dit materiaal heeft goede UV-beschermende eigenschappen, het is waterbestendig, het is stabiel bij hoge
temperaturen en het geeft ook bescherming tegen schokken en stoten. Maar we zijn nog niet klaar, want we willen toewerken naar iets dat ook nog zelf-herstellend is wanneer het kapot gaat, en dat goed gerecycled kan worden.’ Daar zullen ze de twee de komende jaren dus nog aan verder werken.

‘Perovskieten zijn gemakkelijk te fabriceren, maar ze vallen ook zo weer uiteen,’ vertelt Protesescu. ‘Ze lossen gemakkelijk op, als zout in water.’ Daarom worden de huidige perovskieten in zonnepanelen – die al commercieel verkrijgbaar zijn – stevig ingepakt in een plastic beschermlaag. Hun kwetsbaarheid heeft alles te maken met de interne verbindingen in het materiaal, legt Protesescu uit. Het is een kristalstructuur met slechts zwakke verbindingen tussen de atomen in de structuur.

Loredana Protesescu werkt aan stabielere, loodvrije perovskieten. Uiteenlopende samenstellingen en verschillende formaten van het molecuul geven de perovskieten steeds andere kleuren.

Zonnecellen gemaakt van perovskieten zijn gemakkelijk te produceren, werken ook goed als er weinig licht is en kunnen zelfs functioneren als dunne, flexibele laag op je rugzak, tentdoek of flexibele display. Maar helemáál ideaal zijn de perovskieten niet: ze vallen gemakkelijk uit elkaar in aanraking met lucht of water, en bevatten nu nog het giftige lood. RUG-scheikundige Loredana Protesescu werkt aan stabielere, loodvrije perovskieten en ontving onlangs subsidie om een soort inkt te ontwikkelen die alle componenten van een zonnecel bevat en slechts nog uitgesmeerd hoeft te worden voor gebruik.

FSE SCIENCE NEWSROOM
TEKST: CHARLOTTE VLEK
FOTOGRAFIE: AV-SERVICES RUG