Paul van Gerven
13 sep 2013

In de onderzoekswereld zijn zonnecellen op basis van perovskieten aan een razendsnelle opmars bezig. Binnen een paar jaar is het rendement van cellen op basis van dit type materiaal twee keer over de kop gegaan, waardoor ze zich in één klap tussen bekendere opkomende PV-technologieën als organische en Cigs-zonnecellen nestelen.

Japanse onderzoekers toonden in 2009 het principe aan: een op lood gebaseerd perovskiet is geschikt als pigment in zogeheten dye-sensitized zonnecellen, ook wel Grätzel-cellen. Door microscopische bolletjes titaandioxide te coaten met een schilletje perovskiet verkregen de Japanners een zonnecel met een rendement van 3,8 procent. Heel eventjes maar, want het ding was zo instabiel dat er amper genoeg tijd was om er metingen aan te verrichten.

Perovskietzonnecellen kunnen net als organische PV-varianten in verschillende kleuren en in verschillende gradaties van transparantie worden gemaakt.

Daarna bleef het een paar jaar stil rond het onderwerp. Pas vorig jaar verschenen weer nieuwe publicaties van importantie, maar daarna zat de vaart er goed in. Inmiddels zijn er zeker vijftien papers over het onderwerp verschenen. De rendementen liepen daarbij snel op, met een voorlopig hoogtepunt van 15,4 procent. Onderwijl werd ook de stabiliteit verbeterd en de productie vereenvoudigd. Dit razende tempo heeft natuurlijk speculaties uitgelokt dat perovskieten een revolutie in de zonne-energie teweeg gaan brengen.

Profiteren

Een perovskiet is een mineraal met dezelfde kristalstructuur als calciumtitaanoxide, het eerste mineraal dat werd geïdentificeerd met deze specifieke atomaire ordening. De eigenschappen van een specifiek perovskiet hangen natuurlijk af van de constituenten waaruit het is opgebouwd, maar het grote aantal toepassingen – van supergeleiders tot geheugenchips – doet vermoeden dat de structuur bijzondere eigenschappen in de hand werkt. Op enkele opto-elektronische verkenningen na hadden zonnecellen daar echter nog niet van geprofiteerd, tot 2009 althans.

De Japanse vondst kwam dan ook een beetje uit de lucht vallen. De Grätzel-cel gebruikt gewoonlijk een organische kleurstof om elektronen en gaten te genereren. Fotonen slaan elektronen in het pigment aan, waarna deze worden overgedragen op een anorganisch dragermateriaal, meestal titaandioxide, dat een te grote bandgap heeft om zelfstandig als zonnecel te dienen. De elektronen migreren verder naar de anode, terwijl via de kathode het gat van het verfmolecuul wordt afgevoerd. De zonnestroomkring is dan gesloten.

Voor grootschalige toepassing is de achilleshiel van de Grätzel-cel, die in zijn moderne vorm al meer dan twee decennia bestaat, het vloeibare elektrolyt gebleken. De geleidende vloeistof moet immers duurzaam vele jaren lang worden ingesloten, ondanks de sterk wisselende condities waaraan zonnecellen worden blootgesteld. Pas recentelijk zijn er veelbelovende ontwikkelingen met vaste elektrolyten, die dit nadeel tenietdoen. Ook de nieuwe perovskietvarianten profiteren daar nu van.

Klap

Van de recente verbeteringen op het Japanse pionierswerk springen er twee uit. De ene komt uit de keuken van Michael Grätzel zelf, tegenwoordig werkzaam aan het École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). In juli rapporteerde zijn groep in Nature over in-situsynthese van het perovskiet in poreus titaandioxide. Dat bleek kinderlijk eenvoudig: impregneer het titaandioxide met de ene reactant (een loodzout) en doop het geheel vervolgens in een oplossing van een tweede. Binnen seconden vormt er in de porieën van de drager hetzelfde loodperovskiet als waar de Japanners over publiceerden. Met een speciaal polymeer als elektrolyt haalt de resulterende zonnecel vijftien procent rendement.

Met een iets gecompliceerdere fabricagemethode, die behalve van vloeistof- ook van dampdepositie gebruikmaakt, komt de Engelse start-up Oxford Photovoltaics met een vergelijkbare zonnecel zelfs tot 15,4 procent. Het brein achter Oxford PV is Henry Snaith, die de kneepjes van het vak van Grätzel zelf leerde en daarna een positie accepteerde aan de University of Oxford.

De resultaten van Grätzel en Snaith zijn indrukwekkend gezien het korte tijdsbestek waarin ze deze hebben geboekt. Het is niet onredelijk om te veronderstellen dat met nog een paar jaar onderzoek er minimaal nog enkele procentpunten aan het rendement toegevoegd kunnen worden. Gecombineerd met massaproductievriendelijke fabricagemethodes positioneren perovskiet-Grätzel-cellen zich daarom in één klap tussen andere opkomende PV-technologieën, zoals organische en Cigs-zonnecellen.