Bruno Ehrler krijgt de KNCV Gouden Medaille 2025 voor ‘uitmuntende bijdragen aan de fysische chemie van metaalhalogenide-perovskieten en zijn baanbrekende onderzoek op het snijvlak van materiaalkunde, opto-elektronica en duurzame energie’. Ehrler is hoofd van de Hybrid Solar Cells-groep bij AMOLF in Amsterdam en hoogleraar aan de Rijksuniversiteit Groningen. De jury roemt zijn originaliteit, doelgerichtheid en duidelijke relevantie voor belangrijke technologische en maatschappelijke uitdagingen.

Gefeliciteerd met de medaille, een prijs voor scheikundigen. Je bent natuurkundige van opleiding, en je bent het vaakst te vinden op AMOLF, het natuurkunde-instituut waar je volgend jaar directeur wordt. Ben je dan eigenlijk wel een scheikundige?

‘Bedankt. Ik zit ergens tussen natuurkunde en scheikunde in met het werk van mijn groep. De perovskieten waarmee we werken moet je bijvoorbeeld synthetiseren in een scheikundelab, maar we bestuderen ze ook met natuurkundige methodes. Het onderzoek is sowieso behoorlijk interdisciplinair.’

Wat zijn perovskieten?

[Ehrler pakt een 3D-geprint model van een kristalstructuur uit een boekenkast] ‘Het zijn ionische zouten met deze ruimtelijke structuur, en de formule ABX3. Die X kan een zuurstof zijn, dat zijn de oxide-perovskieten die bijvoorbeeld gebruikt worden in batterijen of hoge temperatuur-supergeleiders. In ons geval is de X een halide: een jodide of een bromide. Dat levert halfgeleiders op, met een bandgap die in het zichtbare spectrum ligt, daarom zijn ze goed geschikt als zonnecellen, maar ook als materiaal voor leds en lichtsensoren.’

Een halfgeleider heeft een valentieband, een reeks mogelijke energieën voor elektronen die bijna vol zit met elektronen, en een hoger gelegen geleidingsband, die bijna leeg is. Een foton kan een elektron uit de valentieband naar de geleidingsband doen springen, met achterlating van een ‘gat’ in de valentieband. Elektron en gat kunnen vervolgens vrij bewegen. In een zonnecel doen ze dat idealiter naar de negatieve en de positieve elektrode. Daardoor gaat er een stroom lopen, aangejaagd door de energie uit het licht.

‘Bij perovskieten maken defecten in de kristalstructuur niet zoveel uit’

Ehrler: ‘Dat perovskieten goede zonnecel-materialen zijn, werd pas in 2012 duidelijk. Ik was toen bezig met organische halfgeleiders als zonnecellen. Daar werd al 20 jaar aan gewerkt, en het rendement ging heel geleidelijk omhoog en was toen 5 procent. En toen kwamen de perovskieten: in de eerste paper was het rendement al 9 procent, in het tweede 12 procent en daarna 15 procent. Iedereen sprong erop, iedere paper was een Nature-paper. Het werd een hype. De sfeer was heel competitief, sommigen gingen bijvoorbeeld ‘s nachts experimenten doen omdat ze niet wilden dat anderen het zagen. Ik zat toen nog in een groep in Cambridge, en vond dat helemaal niets. Ik ben altijd voorstander geweest van openheid en samenwerking. Dus ik ben pas later in de perovskieten terechtgekomen, toen ik mijn eigen onderzoeksgroep had en ik de sfeer zelf kon bepalen.’

Wat zijn de voordelen ten opzichte van silicium, het standaard materiaal voor zonnecellen?

‘In de processing zijn perovskieten heel eenvoudig te maken: je mengt een paar precursors die je vanuit oplossing in een dunne laag aanbrengt, bij lage temperaturen. Omdat het sterk licht absorbeert, veel sterker dan silicium, is er maar een laagje van een halve micrometer nodig. Je kunt het op allerlei ondergronden aanbrengen, en het is flexibel. Daarnaast moet silicium heel zuiver zijn om goed te werken: 99,9999 procent zuiverheid, terwijl defecten in de kristalstructuur bij perovskieten helemaal niet zo veel uitmaken.’

En de nadelen?

‘Die tolerantie voor fouten is ook meteen een nadeel: perovskieten zijn minder stabiel. Ionen kunnen door het materiaal gaan bewegen. Daardoor kan het materiaal zichzelf herstellen van defecten, maar het kan ook leiden tot degradatie.’

Lees verder onder de afbeelding

Jouw groep heeft technieken ontwikkeld om die mobiliteit te meten

‘Ja, we zetten een signaal met een bepaalde frequentie op de zonnecellen, dat kan een elektrisch signaal zijn of een optisch signaal, en als die frequentie matcht met de beweging van de ionen, zie je een resonantie. Die vertelt je iets over de mobiliteit van het ion. De temperatuurafhankelijkheid daarvan zegt weer iets over de activeringsenergie van de ionen. We hebben zo een hele reeks technieken ontwikkeld, die we combineren met een complete simulatie van de zonnecel.’

En, heeft het geholpen bij het verhogen van de stabiliteit?

‘Zeker. Toen we tien jaar geleden de eerste cellen maakten, was de levensduur minuten: je zag de cel gewoon geel worden. De mengsels die we nu in het onderzoeksveld gebruiken zijn complexer. De A in de formule ABX3 was oorspronkelijk methylammonium, dat zijn nu mengsels van verschillende kationen, en daarnaast voegen we stabiliserende additieven toe. Door de veranderingen komen we uit op een stabiliteit van jaren. Nu komen de eerste perovskiet-zonnecellen op de markt, in de vorm van tandemcellen met een laag perovskiet, voor het blauwe licht, en een laag silicium, voor rood licht. In China is er nu een zonnepark geopend, en ook zijn er Nederlandse bedrijven bezig om perovskietcellen te maken. De precieze levensduur is nog moeilijk te voorspellen: misschien gaan ze tien jaar mee, maar dat is een persoonlijke inschatting.’

‘De mondiale zonnecel-industrie groeit nog steeds hard’

Zijn er nog meer uitdagingen?

‘Naast de stabiliteit komt het opschalen van laboratoriumschaal naar de productie van miljoenen zonnepanelen, en dat moet snel, goedkoop en reproduceerbaar. En dan speelt er nog dat er het B-ion in de perovskieten lood is, wat natuurlijk giftig is. De vraag is wel of dat een probleem is: het is heel weinig, de lagen zijn sowieso heel dun.’

Zit er eigenlijk nog wel muziek in zonnecellen? China produceert veel goedkoper, en door de opgeheven salderingsregeling is hier de markt ingestort

‘De markt gaat altijd op en neer, en er is inderdaad concurrentie uit China. Met SolarLab, een samenwerking van zonnecel-onderzoekers in Nederland, focussen we daarom op niet-standaard zonnecellen: bijvoorbeeld dunne folies voor gebruik in de bouw, in het zonnedak van een auto, of op plaatsen waar traditionele zonnepanelen te zwaar zouden zijn. De markt die is ingestort, is de Nederlandse installatie-industrie. De mondiale zonnecel-industrie groeit nog steeds hard. Zelfs nu de politiek zich ervan afkeert, denk ik dat het kantelpunt al gepasseerd is. Zonne-energie is nu al, of heel binnenkort, gewoon de goedkoopste manier om stroom te maken, laat een studie in Nature Communications zien. Zelfs als je de opslag meerekent die nodig is om periodes zonder zon te overbruggen.’

‘Wij zijn heel geïnteresseerd in neuromorfe toepassingen’

Wat zijn de andere toepassingen?

‘De halfgeleiders zijn ook geschikt om leds te maken, of stralingsdetectoren. Doordat ze robuust zijn tegen defecten, zijn ze ook geschikt voor detectie van röntgenstralen of andere energetische straling. En wij zijn heel geïnteresseerd in neuromorfe toepassingen.’

Neuromorfe toepassingen?

‘Ja, daarmee boots je bepaalde aspecten van neuronen na. Het is heel bijzonder dat een halfgeleider zowel ionen als elektronen kan geleiden. De bewegende ionen kun je inzetten als een soort geheugeneffect: hoe vaker je spanningspieken aanlegt, hoe lager de weerstand van het materiaal wordt. Dat doet een beetje denken aan onze hersenen: hersencellen zenden spanningspulsen langs synapsen naar andere neuronen. Hoe meer spanningspulsen, hoe sterker de verbinding tussen die twee neuronen. Met hulp van perovskieten hebben we kunstmatige synapsen en neuronen gemaakt, en we werken aan neurale netwerken. Die gebruiken heel weinig energie: enkele honderden femtojoules per puls, nauwelijks meer dan echte neuronen. Waar AI-technologie gigantische hoeveelheden energie gebruikt, draaien onze hersenen op 20 watt. Daarbij hopen we met deze schakelingen ook in de buurt komen.’

Nog iets anders: in een vakblad schreef je over de ethiek van wetenschappelijke vernoemingen.

‘Ja, in de natuurkunde van zonnecellen heb je een theoretisch maximum voor de efficiëntie, en dat werd de Shockley-Queisser-limiet genoemd, naar de twee wetenschappers die die limiet in 1961 voor het eerst beschreven. Toen ik een gasteditor was bij Applied Physics Letters en die term langskwam, werd ik benaderd door een collega, die zei: “Die William Shockley was een behoorlijk foute man.” Zo vond Shockley bijvoorbeeld dat zwarte mensen geen kinderen mochten krijgen omdat ze minder slim zouden zijn dan witte mensen. Daar hebben we toen lang over nagedacht en gediscussieerd, en toen hebben we besloten de discussie breder te trekken met dit artikel. Je moet uitkijken dat je historische figuren niet met huidige maatstaven beoordeelt. Maar de dingen Shockley zei en vond, gingen ook in zijn tijd al ver in tegen waarden van vrijheid en gelijkheid. Moet je zulke mensen dan huldigen door iets naar ze te vernoemen? Wij vonden van niet. Daar kwam wel veel discussie over, sommigen vonden dat we niet zo woke moesten doen. Ik vind: zijn wetenschappelijk werk staat nog steeds overeind, en Shockleys artikelen moet je gewoon citeren. Maar die extra eer van een vernoeming, daar zijn we mee opgehouden. We noemen het tegenwoordig de DB-limiet, van Detailed Balance, wat verwijst naar het natuurkundige proces erachter.’

Wel sneu voor Hans-Joachim Quiesser.

‘Ja, dat wel.’

Je wordt binnenkort directeur van AMOLF, wat zijn je plannen?

‘Ik heb al langer interesse in de organisatorische kant van het onderzoek, om na te denken over hoe je zaken goed inricht voor onderzoekers. Ik wil ervoor zorgen dat AMOLF sterk verbonden blijft met de wereld om ons heen, zodat we ook in toekomst relevant onderzoek blijven doen. Ook vind ik het belangrijk dat we goed uitleggen waarom het onderzoek boeiend en relevant is. De mensen die hier werken zijn heel betrokken en gedreven. Die manier van samenwerken, over de disciplines heen, en de inclusieve werkomgeving, wil ik beschermen. Mijn eigen onderzoek gaat door, het is een AMOLF-traditie dat de directeur ook blijft werken als onderzoeker.’