Paul van Gerven
6 February 2018

Ramen die niet alleen automatisch dimmen als de zon erop schijnt, maar dan ook beginnen energie op te wekken: onderzoekers van de University of California in Berkeley hebben de basis gelegd voor de ultieme slimme ramen.

Alleen al in Nederland zijn er twee bedrijven bezig om hightech ramen naar de markt te brengen. Merck Performance Materials is eind vorig jaar in Veldhoven begonnen met de productie van vensters die dankzij een laagje vloeibaar kristal met een druk op de knop kunnen schakelen tussen helder en gedimd. De Delftse startup Physee gooit het over een andere boeg en doet proeven met ramen die energie opwekken. De energieproductie is echter bescheiden, omdat niet het raamoppervlak, maar subtiel in de rand weggewerkte cigs-zonnecellen worden gebruikt.

Onderzoek van de University of California in Berkeley hint nu op ramen die het beste van beide combineren: dimbaarheid én energieproductie over het volledige raamoppervlak. De vondst staat beschreven in de februari-editie van Nature Materials.

dimbaar_perovskiet

Water helpt een handje

De crux van het werk is de identificatie van een halfgeleider die kan schakelen tussen een transparante en een ondoorzichtige toestand. Dat was geen eenvoudige opgave. De enige halfgeleiders die daartoe in staat zijn, kunnen maar één keer schakelen. Daarna zijn hun eigenschappen zo sterk veranderd dat er geen weg meer terug is.

Voortbouwend op recent onderzoek vonden de Californiërs in perovskieten echter een geschikte kandidaat. Als dunnefilmzonnecel heeft dit materiaaltype de afgelopen jaren furore gemaakt, waarbij in kort tijdsbestek rendementen werden gerealiseerd die de beste silicium zonnecellen benaderen. Nu ook de stabiliteit verbetert, lijkt commerciële toepassing nabij.

ASML special

Het meest bestudeerd voor pv-doeleinden zijn perovskieten die bestaan uit loodionen, halides als chloride of jodide en een organisch kation. De onderzoekers richtten zich echter op een net iets andere variant, waarbij cesiumionen de plaats van de organische kationen innemen. In tegenstelling tot de organisch-anorganische hybrides vertonen deze volledig anorganische perovskieten bij verwarming een ingrijpende transitie in hun kristalstructuur, die met het blote oog zichtbaar is. Omdat de ionen zich op een andere manier ordenen, krijgt het materiaal een bruine tint.

Om van transparant naar getint te schakelen, moet het perovskiet, afhankelijk van de exacte samenstelling, tot ruim boven de honderd graden Celsius worden verwarmd. Deze toestand is stabiel, ook na afkoelen. Alleen met een zorgvuldig gekozen temperatuurprogramma kan de transparante toestand worden hersteld.

Als dat de enige manier was om te schakelen, zouden slimme ramen geen haalbare kaart zijn. Peidong Yang en zijn groep ontdekten echter dat vocht de drempel voor de transitie verlaagt. Verwarming van ‘vochtig’, doorzichtig perovskiet tot ongeveer honderd graden Celsius drijft het water af en zorgt voor de overgang naar getint. Bij afkoeling keert het water terug en wordt het materiaal weer doorzichtig. De transitie lijkt volledig reversibel: ook na meer dan honderd cycli zijn nauwelijks verschillen meetbaar, optisch noch elektronisch.

Nog een lange weg te gaan

Verwarming tot honderd graden Celsius is nog altijd geen realistisch schakelmechanisme voor slimme ramen. Maar de onderzoekers denken dat de transitietemperatuur verder omlaag kan door de samenstelling van het perovskiet te veranderen. Hun ideaal is een materiaal te ontwikkelen dat genoeg heeft aan de warmte van zonlicht om te dimmen.

De Amerikanen willen daarnaast het rendement van het perovskiet als zonnecel verbeteren. Hun beste resultaat tot nu toe is een efficiëntie van ongeveer zeven procent (uiteraard gemeten in de getinte toestand). Het zal waarschijnlijk niet eenvoudig zijn om uitstekende thermochrome en fotovoltaïsche eigenschappen tegelijk te realiseren, maar de eerste stappen zijn gezet.