Groningse inkt bevat complete zonnecel van perovskiet

Perovskieten, materialen met een specifieke kristalstructuur die zonlicht kunnen omzetten in stroom, zijn de grote belofte van de zonne-energiewereld. Ze zijn eenvoudig en goedkoop te produceren, werken goed bij weinig licht en kunnen als een dunne, buigzame laag worden aangebracht op rugzakken, tentdoek of flexibele displays.

Makkelijk te maken, instabiel
Dat maakt ze aantrekkelijk voor toepassingen waar traditionele, starre zonnepanelen van silicium niet passen. Ondanks dat er inmiddels commercieel verkrijgbare zonnepanelen met perovskiet-zonnecellen op de markt zijn, is de keerzijde van perovskieten nog altijd hun kwetsbaarheid.

‘Perovskieten zijn gemakkelijk te fabriceren, maar ze vallen ook zo weer uiteen’, vertelt Protesescu, scheikundige aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG). ‘Ze lossen gemakkelijk op, als zout in water.’ Die instabiliteit zit in de interne structuur van het materiaal: de verbindingen tussen de atomen zijn zwak, waardoor het kristal bij contact met lucht of water snel afbreekt. De huidige perovskiet-zonnecellen worden daarom stevig ingepakt in een beschermende plastic laag. Bovendien bevatten de meeste perovskieten het giftige lood, wat de toepassing op grote schaal bemoeilijkt.

Tin vervangt giftig lood
Protesescu werkt samen met RUG-hoogleraar Maria Loi aan tingebaseerde alternatieven. Tin geldt als een veelbelovende vervanger voor lood in de perovskietstructuur. Loi presenteerde recent lood-tinperovskieten die zonlicht omzetten in stroom met een efficiëntie van 25,9 procent. ‘Dat is momenteel de state-of-the-art in het vakgebied’, licht Protesescu toe. Haar promovenda Julia Kraft slaagde erin om alle loodatomen in een perovskiet volledig te vervangen door tin.

Het werk van Protesescu speelt zich hoofdzakelijk af op nanoschaal: nieuwe perovskieten worden in het lab in het klein ontwikkeld en getest op eigenschappen als structuur, stabiliteit en reactie op licht. Vervolgens worden er dunne laagjes van gemaakt en ingebouwd in werkende apparaten zoals zonnecellen, led's of fotodetectors om efficiëntie en gedrag in de praktijk te meten. ‘Nu moeten we nog de stap maken van één klein kristalletje naar een hele zonnecel’, aldus Protesescu.

Inkt als slimme cake
De meest ambitieuze stap in haar onderzoek is de ontwikkeling van een 3-lagen-inkt die alle componenten van een complete zonnecel tegelijk bevat. Hiervoor ontving Protesescu onlangs subsidie van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO) waarmee ze de komende 5 jaar aan deze inkt kan werken. Een zonnecel bestaat uit een actieve middelste laag waarin perovskieten het zonlicht omzetten in een elektrische lading, met aan weerszijden 2 buitenlagen die die lading afvoeren. In de beoogde inkt zitten alle materialen voor die sandwich al verwerkt.

De truc zit hem in een externe prikkel, zoals een verandering van zuurtegraad of temperatuur, die ervoor zorgt dat de componenten vanzelf de juiste positie innemen. Protesescu vergelijkt het met een bakrecept: ‘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.’ Het idee is dat de inkt straks slechts hoeft te worden uitgestreken om een functionerende zonnecel te vormen, zonder ingewikkelde fabricagestappen. De stabiliteitsproblemen van perovskieten, die de commerciële uitrol al jaren afremmen, staan daarbij centraal in het onderzoek.