Een rasterelektronenmicroscoopopname van een perovskietcel. De kristallijne gebiedjes voorkomen de achteruitgang van het materiaal (afb: Los Alamoslab)
Op het gebied van zonnecellen schijnen de ontwikkelingen nog steeds niet stil te staan. In dit artikel heb ik drie recente onderzoeken bij elkaar geveegd, waarin allerlei records worden gebroken: Australische onderzoekers hebben met een soort meertrapszonnecel een record gebroken voor een rendement met niet-geconcenteerd zonlicht (34,5%), Amerikaanse en Franse onderzoekers hebben de veelbelovende perovskietcellen nog een extra impuls gegeven door cellen te maken die zichzelf repareren op weg naar een rendement van 45% (en meer) en onderzoekers van de universiteit van het Zweedse Lund beschrijven de voordelen van het gebruik van ijzercarbenen voor de ontwikkeling van efficiënte en goedkope zonnecellen. De Franse onderzoekers beloven binnenkort met een artikel te komen over perovskietcellen (officieel calciumtitaanoxide) die niet achteruitgaan in het gebruik. Als het nu nog niet goed komt met die zonnecellen, dan weet ik het niet. Voorlopig zijn de siliciumcellen nog steeds favoriet.
Laten we maar beginnen met de ontwikkeling die, niet alleen, ik als de meestbelovende zie: die van de perovskietzonnecellen. Het rendement van die zonnecellen is sedert de ‘ontdekking’ ervan rap gestegen: van 3,8% in 2009, via 12% in 2012 naar 22% vier jaar later. De verwachting is dat dat dat rendement verder zal groeien naar misschien wel 45%, waarbij de siliciumcellen blijven steken op zo’n 25%.
Dat klinkt natuurlijk allemaal prachtig, maar er zitten wel wat ‘vlekjes’ aan de perovskietcellen. Een daarvan is de relatief lage stabiliteit. Daar lijken de Franse en Amerikaanse onderzoekers (deels) een oplossing voor te hebben gevonden door perovskiet te ontwikkelen dat zichzelf repareert.
De eigenschappen van perovskietcellen gaan in het gebruik achteruit. Dat is natuurlijk niet erg praktisch. De Amerikaans/Franse onderzoeksgroep heeft nu een manier gevonden waarop het perovskiet zichzelf (snel) herstelt. Het bleek de onderzoekers dat die volledig te herstellen vallen via een ‘onderdompeling’ in de duisternis van minder dan een minuut of afkoeling tot 0°C. De onderzoekers bekeken een hybride perovskiet dat bestaat uit anorganische atomen en kleine organische moleculen: CH3NH3PbI3. Ze ontdekten dat de achteruitgang een gevolg is van de vorming van polaronen (een elektron met om zich een wolk fotonen). De atomen en de moleculen in de verbinding hebben de neiging zich te verbinden met de polaronen in een soort georganiseerde reidans. Daardoor ontstaan er in het materiaal geladen zones die elektrische ladingen vertragen en de elektrische stroom verminderen. Door de cel in het donker te plaatsen raken de polaronen hun lichtwolk kwijt. Dat alles heeft niks met het achteruitgang van het materiaal te maken. Tot nu toe is die Franse theorie, vanwege experimentele problemen, slechts deels bewezen, maar de Franse onderzoekers kondigen aan in juni met een artikel te komen over een hybride perovskiet die zich geheel aan die achteruitgang onttrekt.
Meertrapszonnecel
Ondertussen zijn onderzoekers van de universiteit van New South Wales (Aus) bezig geweest met de ontwikkeling van een meertrapszonnecel die een zo groot mogelijk deel van het licht van het zonnespectrum omzet in elektrische energie. Daarmee hebben ze een energetisch rendement van 34,5% weten te bereiken. Mark Keevers en Martin Green en medeonderzoekers bereikten dat door naast een siliciumcel ook drie zonnecellen van andere materialen (indiumgalliumfososfide, indiumgalliumarsenide en germanium) te plaatsen die andere delen van het zonnespectrum omzetten in elektriciteit. Voorspellingen van de Duitse denktank Agora Energiewende zouden een rendement van 35% in 2050 hebben voorspeld. Het theoretisch haalbare rendement zou 53% zijn.
Het grote probleem met dit type zonnecellen is is dat ze lastig te maken zijn. Die zullen we dus niet gauw op daken aantreffen. Voor grootschalige zonnecelinstallaties zoals zonnetorens, zouden ze iets kunnen betekenen, maar de perovskietcellen lijken ook hier in het voordeel: die zijn relatief simpel en goedkoop te maken.
IJzer
De Zweedse onderzoekers hebben zich weer gericht op goedkoop en milieuvriendelijk. Ze onderzochten de mogelijkheden van ijzerverbindingen in zonnecellen ter vervanging van duurdere hulpstoffen in organische zonnecellen zoals titaanoxide. “In onze studie leggen we uit hoe ijzerverbindingen werken op moleculair niveau. Zo weten we hoe we deze ijzercomplexen kunnen verbeteren om nog beter zonne-energie te absorberen en op te slaan”, zegt onderzoeker Petter Persson.
Wetenschappers schijnen al tientallen jaren zonder al te veel succes te hebben geprobeerd dergelijke ijzerverbindingen te bedenken. Probleem was om de juiste elektrische eigenschappen te verwezenlijken, maar waar anderen faalden slaagden de onderzoekers van Lund: ijzercarbenen bleken het antwoord. De wereld zou volgens Persson staan te springen om met de ijzerverbindingen aan de slag te gaan. Hij schat dat het nog wel een paar jaar zal duren alvorens de ijzercarbenen in commerciële producten zal worden toegepast, maar hij is verbaasd over de snelle ontwikkeling. Wie weet wat er allemaal nog meer op de agenda staat, maar ik gok toch op de perovskieten.
Bronnen: Futura-Sciences, EurekAlert, Alpha Galileo