Maria en de revolutionaire zonnecellen
Solar superhero
Eigenlijk zijn het superhelden.
Ze lijken mischien simpel, die kristallen waar ze zes jaar geleden op stuitte. Maar wacht maar tot je ze een beetje tweakt. Voeg er wat extra’s aan toe – een organisch molecuul bijvoorbeeld – en dan, plotseling, krijgen die simpele, robuuste halfgeleiders onverwachte krachten. En daarmee zouden ze zomaar eens de wereld kunnen veranderen.
Dus, zegt hoogleraar fotofysica en opto-elektronica Maria Antonietta Loi, voor haar zijn ze als Pegasus – het mythologische wezen met eigenschappen van een paard en een vogel. Of Spiderman, om de analogie naar de moderne tijd te brengen. ‘Dat zijn ook hybriden. Het feit dat ze eigenschappen combineren van verschillende herkomst, geeft hen waanzinnige eigenschappen.’
Perovskiet
Een perovskiet is een kristal dat voor het eerst werd ontdekt in 1839 en is genoemd naar de Russische mineraloloog Lev Perovski. Tegenwoordig vormen perovskieten een grote familie van kristallen waarvan de atomen een kubus of een pseudokubus vormen.
Om een hybride perovskiet te maken, moet je goochelen met de verschillende componenten. In het centrum (B) van een octaëder, of achtvlak, vind je metalen: meestal lood of tin. Op hoeken (X) zitten halogene ionen, zoals chloride of jodium. De octaëder bevindt zich in een kubus, met hoeken (A) van organische kationen zoals methylammonium of formadinium.
Wanneer je de elementen op de diverse posities verandert, verander je daarmee ook de eigenschappen van het kristal
Ze heeft het over perovskieten. En niet zomaar een willekeurig exemplaar, maar de kristallen die ze zelf maakt. Die ze samenstelt in haar lab, waar ze organische en anorganische componenten combineert. Die ze mixt in een speciale clean room, waar geen korreltje stof of ander vuil is toegestaan. Die ze uitspreidt in speciale gloveboxes, waar ze beschermd zijn tegen water of zuurstof – daar reageren ze niet zo lekker op immers. Die ze aanslaat en blootstelt aan felle lasers. Die ze meet, nadat ze ze onder een kunstmatig minizonnetje heeft gelegd.
En bovenal: die ze probeert te begrijpen, zodat ze – heel misschien – hun geheimen aan haar prijsgeven.
Waanzinnige ontdekkingen
Daarbij is ze al lekker op weg. Ze werkt nog maar zes jaar aan haar perovskieten, maar in die tijd heeft ze al heel wat bijzondere vondsten gedaan. Een van haar hybriden bleek bijvoorbeeld extreem gevoelig voor röntgenstraling. Er is intussen een röntgendetector mee gebouwd die vier keer zo gevoelig is als normaal. Daarmee heb je minder straling nodig om röntgenfoto’s te maken van – bijvoorbeeld – gebroken botten en richt je minder schade aan in het lichaam.
De grootste sensatie echter zijn de hybride perovskieten waarmee ze zonnecellen bouwt en die ongekende rendementen mogelijk maken. In theorie tenminste. Mede vanwege dat onderzoek ontving ze onlangs de Fysica Prijs 2018– een onderscheiding die haar op één lijn plaatst met Nobelprijswinnaars als Gerard ‘t Hooft en Gerard Veltman, of de beroemde natuurkundige Robbert Dijkgraaf.
Bij gewone silicium zonnecellen is het maximale rendement zo’n 25 procent. Maar hun perovskieten tegenhangers naderen in razend tempo. Sommige hebben al een rendement van 22 procent. ‘Nog altijd minder dan de old school exemplaren’, legt Loi uit, ‘maar daar is slechts zeven jaar onderzoek voor nodig geweest, terwijl het bij siliciumcellen veertig jaar duurde.´. Het potentieel is nog veel groter – tot een maximum van 33 procent.
Hete elektronen
Waarom? Omdat perovskieten veel licht kunnen absorberen, goed geleiden, eenvoudig oplosbaar zijn en in flexibele lagen kunnen worden geproduceerd die je misschien – ooit – op je kleren zult kunnen dragen. Ze zijn taai en bovendien veerkrachtig.
Maar er zijn ook problemen. Al was het maar omdat een zonnecel van perovskiet bijna altijd het giftige lood bevat, wat ze ongeschikt maakt voor massaproductie. Een ander dingetje: net als met silicium lekt er veel zonne-energie ongebruikt weg. Een foton moet de cel immers raken met precies de juiste hoeveelheid energie. Een teveel zorgt voor ‘hete elektronen’ – de kristallen schieten ‘door’, brengen de kristallen van de cel in beweging, waarna de energie als warmte verloren gaat.
‘Daarom bestudeerden mijn postdoc Hong-Hua Fang en ik een hybride perovskiet dat tin bevatte in plaats van lood. We wilden kijken of we ook zonder konden werken en meer inzicht konden krijgen in de fundamentele eigenschappen.’ Een andere postdoc, Shuyan Shao, haalde een efficiëntie van maar liefst 9 procent. Een record voor loodvrije zonnecellen.
Duizend miljoenste seconde
‘En daar vonden we iets heel bijzonders’, zegt ze. ‘Op de een of andere manier vibreerde het kristal veel minder dan normaal. In dit specifieke perovskiet hielden de hete elektronen hun energie extreem lang vast.’
‘Extreem lang’ voor Loi staat gelijk aan een paar nanoseconden. Dus enkele duizendste miljoensten van een seconde in plaats van – zoals ze gewend was – een paar honderd femtoseconden. Waarbij een femtoseconde een miljoenste van een miljardste van een seconde. ‘Dus dat is duizend keer zo langzaam als normaal’, legt ze uit.
Ik zou nooit dertig jaar lang hetzelfde kunnen doen. Ik zoek altijd nieuwe dingen die ik niet begrijp, maar wel veelbelovend zijn en me fascineren.
En hoewel elk normaal mens vindt dat die energie nog altijd belachelijk snel verloren gaat, ziet Loi talloze mogelijkheden. Die paar nanoseconden zijn voldoende om de energie uit het materiaal te halen en naar elders te transporteren. Daarmee kun je het rendement verhogen naar 66 procent – en dat is een potentiële gamechanger.
Ze is er nog niet, natuurlijk. Eerst moet ze twee problemen moeten oplossen: uitzoeken waaróm een tinperovskiet hete elektronen vertraagt. En: een manier vinden om de energie uit het materiaal te halen.
Gelukkig heeft ze al wat ideeën ontwikkeld, waarbij haar onderzoekende, rusteloze geest goed van pas kwam. ‘Ik zou nooit dertig jaar lang hetzelfde kunnen doen. Ik zoek altijd nieuwe dingen die ik niet begrijp, maar wel veelbelovend zijn en me fascineren. Anders ga ik me snel vervelen.’
Superatoom
Er zijn de nanotubes, waaraan ze al ver voor haar perovskieten werkte. Nog maar kort geleden slaagde ze erin om ervoor te zorgen dat de miniscule buisjes zichzélf ordenden op een specifieke ondergrond. Er is nog een andere veelbelovende hybride: kwantumdots – clusters van duizenden atomen die zich als één enkel superatoom gedragen. Je kunt ze uitstrijken in een verfachtige laag en licht laten omzetten in elektriciteit. Lois groep slaagde er nog maar kort geleden in om ze te verbeteren en hun elektronische eigenschappen aan te passen.
Die materialen konden wel eens heel handig blijken voor haar perovskietenonderzoek. Ze heeft ze immers onder handbereik om mee te experimenteren. De kwantumdots zijn de eerste keuze. ‘Ze vormen heel interessant materiaal om te proberen de energie uit de perovskiet zonnecellen te halen’, stelt ze.
En als dat niet werkt, vindt ze wel een andere manier. ‘In mijn hoofd is het allemaal hetzelfde’, zegt ze. ‘Ik benader wetenschap op een holistische manier. Ik kijk rond en zie wat ik nodig heb. Ik wil gewoon mooie wetenschap bedrijven.’