De hype rond blitse perovskietzonnecellen raast nog altijd voort. Intussen zoeken chemici en fysici de grenzen op van organische combinaties om de efficiëntie tot futuristische waardes op te krikken. Of de vertrouwde siliciumpanelen daarmee van hun troon te stoten zijn, valt nog te bezien.

En weer neemt de realiteit in de wereld van zonnepanelen een andere afslag dan voorspeld. Tot voor kort was de gedachte dat het huidige standaardzonnepaneel van silicium geduchte concurrentie ging krijgen van toekomstige organische zonnecellen, vooral omdat die laatste goedkoper zijn in productie. Dat argument staat zo’n beetje in alle wetenschappelijke papers. ‘Bij proefschriften en artikelen zeg ik nu: zet daar een streep door, zo werkt het niet meer’, zegt organisch chemicus Kees Hummelen van de Rijksuni­versiteit Groningen resoluut.

Koploper silicium daalt zo hard in productiekosten dat de Groningse hoogleraar organische chemie het prijsargument voor alternatieve cellen in rap tempo ziet mee verdampen. De watt-piekprijs van silicium daalde in slechts twee jaar van € 0,60 in 2015 tot € 0,33 in 2017. Dat is acht jaar eerder dan verwacht.

Zonnecelfolie

Een bekendere twist is de plotselinge aandacht voor het materiaal perovskiet, dat in laboratoria organische cellen voorbijschoot in efficiëntie. ‘Het veld waarin organische zonnecellen zich moeten bewijzen, is helemaal veranderd’, zegt Hummelen. ‘Dus daar moet je met de ogen van nu naar kijken.’ De vraag is dan ook welke toekomst er in het verschiet ligt voor de verschillende type zonnecellen.

‘De folie is ideaal voor gevels met suboptimale lichtcondities’

Met de veranderde spelregels ziet de zonne-energiewereld er op de korte termijn nog relatief bekend uit. Wie hectares aan panelen op daken van gebouwen plaatst of ze in een veld aanlegt, kiest waarschijnlijk voor het vertrouwde silicium: het typische zwarte paneel dat al jaren wordt verkocht. ‘Tegen de praktijkefficiëntie van grofweg 20 % en de lage prijs valt niet meer op te boksen sinds China ze massaal met subsidie produceert’, vertelt Peter Bäuerle, hoogleraar organische chemie aan de Duitse universiteit van Ulm.

Toch denkt Bäuerle dat organische zonnecellen bijna klaar zijn voor een marktlancering. Het bedrijf Heliatek, waarvan de hoogleraar medeoprichter is, heeft in Dresden een pilotfabriek draaien die al op relatief grote schaal repen zonnecelfolie op basis van oligomeren van de lopende band laat rollen. Die zijn enkele meters lang en altijd 30 cm breed. De insteek is niet om expliciet te concurreren met silicium, want daarvoor schiet de huidige efficiëntie van ongeveer 8 % tekort. Wel kan de folie volgens hem nieuwe markten openen die buiten het bereik liggen van silicium: als ondoorzichtige óf semitransparante zonnecel, geplakt op bijvoorbeeld ramen en gevels. Bäuerle: ‘Daarbij horen de buzzwords: building-integrated organic photovoltaic.’

De zonnecelfolie heeft unieke voordelen, vindt de hoogleraar. ‘Hij is ideaal voor gebouwgevels met suboptimale lichtcondities. Daar kun je geen gewone siliciumpanelen gebruiken. Die zijn veel te zwaar en onhandig om daar op te hangen.’ De folie is vijftig keer lichter en bij de semitransparante versies kun je naar buiten kijken. Ook kan de folie aantrekkelijk zijn: de fabriek levert hem in verschillende kleuren. ‘Als een architect rode of blauwe folie op een ruit wil, dan kan dat gewoon.’

Het idee is dat Heliatek gaat samenwerken met bouwmateriaalbedrijven om direct ruiten of gevelpanelen met ingebouwde zonnefolie te leveren. Daarvoor bestaat nog geen grote markt, maar Bäuerle verwacht dat het bedrijf die wel kan creëren.

Hype

Intussen ligt die geduchte concurrent voor organische zonnecellen op de loer: het ‘wondermateriaal’ perovskiet. Het is dun, makkelijk in gebruik en goedkoop te produceren. ‘Het grote verschil met organische absorbeerders zit in het gemak waarmee perovskiet licht omzet in stroom’, legt Hummelen uit. Waar organische cellen een helpende hand aan extra materiaal nodig hebben om elektronen aan de wandel te krijgen, gebeurt het bij perovskiet als vanzelf – net zo makkelijk als bij silicium.

 

‘Tegen de lage prijs valt niet meer op te boksen’

Mede daardoor lukte het labs om binnen enkele jaren na de ontdekking van perovskiet de efficiëntie op te krikken tot boven de 20 %. Dat is een paar procent minder dan het siliciumrecord, maar al 10 % meer dan dat van organische zonnecellen; veelbelovend dus. Het is genoeg reden voor veel zonnecelwetenschappers om te stoppen met organische cellen en over te stappen naar perovskiet.

‘Het is echt een beetje een hype’, zegt René Janssen, hoogleraar aan de Technische Universiteit Eindhoven, die zelf in het samenwerkingsverband Solliance aan onder meer perovskiet werkt. Onderzoekers die bij organisch bleven, merkten dat direct, aldus Wouter Maes, hoogleraar organische chemie aan de Universiteit Hasselt en ook betrokken bij Solliance. ‘Bij presentaties over organische cellen bleven de congreszalen bijna leeg. We hadden het echt even heel moeilijk.’

Loodprobleem

Toch is perovskiet nog niet klaar voor de markt. Zo is het maar de vraag of de zonnecellen het langer dan een jaar of twee uithouden en blijft de efficiëntie op grotere schaal steken op 12 à 13 %, aldus Janssen. Bovendien heeft nog niemand een oplossing om het uiterst giftige loodjodide in de kristalstructuur te vervangen. ‘Dat blijft een serieus probleem’, zegt Janssen. Zo­lang er lood in de perovskietcellen zit, ziet de Groningse chemicus Hummelen het materiaal niet op de markt komen als zonnecel. ‘Er zijn wel mensen die zeggen: we pakken het lood gewoon even in en dan is het veilig. Nou, wat denk je dat er gebeurt na een extreem zware hagelbui? Sorry, maar dan gaat je zonnepaneel echt naar de knoppen. Dat lood gaat lekken.’

En dus houden veel perovskietonderzoekers zich bezig met die ene vraag: valt het lood te vervangen en zijn er niet meer materialen die kunnen wat perovskiet kan? ‘Wie het lood eruit krijgt, is straks spekkoper natuurlijk’, zegt Janssen. Volgens hem houdt juist die immensiteit van zo’n zoektocht de hype rondom perovskiet gaande, als een soort kip-ei-verhaal: de ontdekking die de perovskietbelofte inlost is er nog niet, en dus blijft iedereen zoeken.

 

’Is dit nou het materiaal waarover we dromen?’

De grootste waarde van perovskiet, menen zowel Janssen als Hummelen, is dat het fundamenteel nieuwe inzichten oplevert voor de optimale zonnecelconstructie. ‘Wij waren al perovskietachtige materialen aan het testen voordat perovskiet zelf een hype werd’, zegt Hummelen. ‘Wij blijven het vergelijken met organisch en stellen onszelf telkens de vraag: is dit nou het materiaal waarover we dromen?’

Monnikenwerk

Chemici als Maes hebben de buckyball er echter uit geschopt en experimenteren nu met nieuwe acceptoren. Het is een van de redenen waardoor organische zonnecellen nu een efficiëntie van 13 % hebben bereikt. ‘Onderzoekers hebben het gevoel dat met de non-fullerenen iets van 15 of 16 % er wel aan zit te komen’, zegt Maes. ‘Het is echt een fundamentele stap geweest.’

Die alternatieven voor fullereen hebben nog geen specifieke naam. Doorgaans gaat het om bepaalde klassen kleine koolstofmoleculen die je volgens Maes goed kunt finetunen. Een van de bekendste nieuwe non-fullerenen is ITIC. Maes zet er bijvoorbeeld fluoratomen op om de ladingsoverdracht wat te vergemakkelijken.

Ook de levensduur van organische zonnecellen wordt er beter van, verwacht Maes. ‘Zo’n paneel warmt nogal snel op wanneer de zon erop schijnt. Dan kun je 80 °C halen. Dat is een temperatuur waarbij die materialen wel eens gaan fasescheiden. Fullereen is nogal mobiel en begint rap rond te zwerven en vormt clusters, waardoor de efficiënte zakt. Maar bij sommige van de nieuwe non-fullerenen heb je dat veel minder.’

Voor het gesleutel aan nieuwe organische zonnecelmaterialen bestaat echter geen gegarandeerde route naar succes. Het is vooral een kwestie van een alkylgroepje hier toevoegen, ergens anders iets verwijderen. ‘Monnikenwerk’, erkent Maes. Het is volgens hem een van de redenen waarom de meeste sprongen uit China komen. ‘Pure mankracht hebben ze daar. Dat kunnen wij echt niet bijhouden.’

Energiebarrière

De stip op de horizon voor organische zonnecellen richt zich op heel grote efficiëntiesprongen: naar 20 % of hoger. Dat kan met een populaire sluiproute: door bijvoorbeeld twee lagen absorbeerders, zij het perovskiet, organisch of zelfs silicium, te stapelen in een zogeheten tandemcel. Het idee is dat de lagen elk een aparte golflengte van het zonnespectrum pakt.

 

Het onderzoeksveld is gigantisch en de concurrentie groot

Maar het liefst zoeken de wetenschappers naar fundamentelere kunstgrepen in één cel. In theorie kan één zonnecel 32 % rendement halen, de zogeheten Shockley-Queisser-limiet. Zo werken René Janssen in Eindhoven en Kees Hummelen in Groningen beide op verschillende manieren aan beperking van het zogeheten foton­energieverlies: de meeste organische zonnecellen benutten lang niet alle energie uit elk binnenvallend foton. Janssen: ‘De beste organische cellen hebben daar zo’n energieverlies van ongeveer een halve elektronvolt. Als je dat niet kleiner krijgt, wordt het onmogelijk of heel moeilijk om een efficiëntie van 20 % te halen.’

Ideeën zijn er genoeg. Een hoop is te winnen door de hoeveelheid energie die nodig is om elektronen in beweging te krijgen precies te laten aansluiten bij de energie van het invallende licht. ‘Een blauw foton heeft bijvoorbeeld een energie van 3 eV, maar de minimale absorptie-energie vereist voor één foton is zo’n

1,4 eV’, legt Hummelen uit. ‘Je kunt dan het hoogenergetische foton splitsen in twee fotonen met elk genoeg energie om ladingen te produceren. Zo’n foton geeft een dubbel stroomeffect. Andersom is ook een optie: een tussenlaag die te ‘slappe’ fotonen bij elkaar optelt tot een foton met voldoende energie om ladingen te produceren.

Voorspellen welke kant het precies opgaat is er nog niet bij, weet Janssen. Het onderzoeksveld is gigantisch en de concurrentie groot: ‘Het is eigenlijk niet bij te houden. Soms duurt het maar enkele weken van ontdekking tot publicatie. Met zo veel mogelijke manieren om het materiaal te veranderen, kan het werkelijk alle kanten op.’