Perovskiet is de naam van een mineraal dat in de negentiende eeuw door de Duitse mineraloog Gustav Rose in de Oeral werd ontdekt en vernoemd naar zijn Russische collega Lev Perovski. Rose zal echter niet hebben vermoed dat de term perovskiet bijna twee eeuwen later synoniem zou zijn voor een revolutie in het zonnecellenonderzoek.

Materialen met dezelfde kristalstructuur - maar niet dezelfde samenstelling - als natuurlijk perovskiet blijken namelijk bijna net zo efficiënt als de bekende siliciumcellen, en hebben daarnaast het voordeel dat ze vanuit een oplossing in dunne lagen kunnen worden gefabriceerd. Zo dun zelfs, dat ze de basis kunnen vormen voor flexibele zonnecellen. Daarnaast kun je spelen met het deel van het zonnespectrum dat wordt geabsorbeerd, door verschillende atomen te kiezen als bouwstenen van de kristallen.

Tien per dag

Welke vlucht het onderzoek naar perovskiet heeft genomen, blijkt uit een grafiek in het proefschrift van Bardo Bruijnaers. Terwijl in 2009 slechts drie wetenschappelijke artikelen verschenen over op perovskiet gebaseerde zonnecellen, waren dit er vorig jaar al een kleine drieduizend. “Dat zijn er dus bijna tien per dag”, zegt de promovendus. “Ik heb het op een gegeven moment ook maar opgegeven om alle literatuur bij te houden, dat was niet meer te doen.”

Bruijnaers, die na een hbo-opleiding eerst twee jaar als analist werkte voordat hij alsnog besloot aan de TU/e een master Chemical Engineering te doen, was in 2014 de eerste promovendus in de groep van universiteitshoogleraar en Spinozalaureaat René Janssen die zich in perovskiet mocht verdiepen. Janssen was al een wereldexpert op het gebied van ‘plastic’ zonnecellen, waarin zonlicht met behulp van polymeren wordt omgezet in elektriciteit, maar hij zag dat deze klasse van zonnecellen voor veel toepassingen het onderspit zou delven tegen de snel goedkoper wordende siliciumcellen. Reden voor Janssen om in zijn groep ook een onderzoekslijn naar perovskiet op te starten.

Onvoorspelbaar

“Toen ik begon, wisten we hier nog niets over perovskiet”, vertelt Bruijnaers. “Er was natuurlijk wel veel nuttige kennis over cellen op basis van polymeren, maar het bleek lastig om de destijds best presterende perovskiet-cellen te reproduceren. Die hadden een efficiëntie van zo’n tien procent.”

Wat onder meer tegenviel, was dat de cellen zich onvoorspelbaar gedroegen tijdens het doormeten. Als de cellen niet helemaal gelukt zijn, dan bevatten ze namelijk veel losse ionen, en die gaan onder invloed van de meetspanning aan de wandel. “We hebben dus eerst uitgezocht hoe je dergelijke onvolmaakte cellen moet karakteriseren. Dat hebben we niet gepubliceerd, omdat we het niet echt vernieuwende wetenschap vonden. Even later kwam een concurrerende groep hierover wél met een publicatie, en onze methode is in het vakgebied inmiddels de standaard geworden.”

Lees verder onder de afbeelding.

Kortsluiting

De kunst is om perovskietkristallen te vormen die beide elektrodes van de zonnecel optimaal met elkaar verbinden; de door zonlicht vrijgemaakt elektronen moeten op hun weg naar de elektrode minimale weerstand ondervinden. Daarvoor moeten de kristallen niet te klein zijn, want de elektronen ervaren de grensvlakken van de kristallen als een barrière. Zijn de kristallen echter te groot, dan zorgen de lege ruimtes tussen de kristallen voor een risico op kortsluiting.

“Het blijkt dat je kleine kristallen krijgt als je loodacetaat gebruikt om de vereiste loodionen in het kristal aan te brengen, en te grote als je dat met loodchloride doet”, zegt Bruijnaers. Een mengsel van beide levert het optimale resultaat, zo vond hij uit.

Al met al kwam hij tot een efficiëntie van zo’n vijftien procent, terwijl het wereldrecord voor zijn type perovskiet-cellen inmiddels zo’n twintig procent is. Er is dus nog genoeg te doen, al was het maar omdat je eigenlijk liever geen loodhoudend materiaal op de markt wilt brengen. “De meningen zijn verdeeld over hoe schadelijk het lood in deze zonnecellen precies is, maar je wilt liever bijvoorbeeld tin gebruiken in plaats van lood. Maar daarmee haal je een veel lagere opbrengst.” Daarnaast is het nog de vraag hoe goed de kristallen bestand zijn tegen omstandigheden in de buitenlucht. “De cellen zullen in ieder geval een beschermende coating nodig hebben.”

Multinational

Wat begon met Bruijnaers als eenzame promovendus, is inmiddels uitgegroeid tot een serieus perovskiet-team, met nog drie promovendi, een postdoc en diverse studenten. Wie weet wat we de komende jaren dus nog mogen verwachten op het gebied van deze nieuwe zonnetechnologie. De Limburger zelf zal daar echter geen deel van uitmaken: hij gaat op zoek naar een baan in de industrie. “Als onderzoeker, liefst in een groot bedrijf. Ik heb al ervaring bij een familiebedrijf en hier aan de universiteit, dus ik ben benieuwd hoe het is om bij een multinational te werken.”