ERC Advanced Grant voor René Janssen en zijn onderzoek naar efficiëntere zonnecellen

De subsidie van 3 miljoen euro wordt toegekend door de European Research Council (ERC). Het is bedoeld voor gevestigde wetenschappers met een baanbrekend, risicovol onderzoeksvoorstel. De prijs is persoonlijk, en de onderzoeker kan de financiering gebruiken voor zijn of haar onderzoek in de komende vijf jaar.

Efficiëntie perovskiet

Janssen ontvangt voor de tweede keer een ERC Advanced Grant. In 2013 onderzocht hij met de subsidie hoe je organische halfgeleiders kunt gebruiken in zonnecellen. Hij keek toen hoe de cellen zo efficiënt mogelijk water in waterstof en zuurstof kunnen splitsen en hoe kooldioxide gereduceerd kan worden.

Nu kijkt Janssen naar het materiaal perovskiet. Dit is een veelbelovend materiaal voor zonnepanelen. De huidige panelen met silicium kennen een maximale efficiëntie van zo’n 27 procent. Perovskiet zou die efficiëntiewaarde moeten kunnen evenaren. Janssens doel is zonnecellen te ontwikkelen die twee keer zoveel energie kunnen produceren vergeleken met silicium zonnepanelen.

En dat is belangrijk, want wereldwijd wekken we nog maar 2 terawatt van de in totaal benodigde 19 terawatt aan vermogen op met zonnepanelen en windturbines. Als we al onze energie wereldwijd groen willen opwekken, hebben we dus nog tien keer zoveel nodig.

Zonnestraal opsplitsen

Om dat te bereiken, is nog heel veel onderzoek nodig. Zo werkt Janssen specifiek aan het stapelen van meerdere, drie of wel vier, verschillende perovskiet zonnecellen die zo ontworpen zijn dat ze ieder één deel van het totale zonlichtspectrum heel efficiënt kunnen omzetten. Gezamenlijk leidt dat tot een hoger rendement en een betere benutting van de beschikbare zonne-energie.

Dat stapelen heeft hij voor het eerst gedaan bij zonnecellen met organische halfgeleiders, tijdens zijn vorige ERC-onderzoek. Nu wil hij die geleerde techniek toepassen op het materiaal perovskiet. Janssen: “We splitsen een zonnestraal op in de verschillende golflengten. De bovenste cellen waar de zonnestraal als eerste het paneel raakt, absorberen alleen het blauwe gedeelte van het spectrum, de laatste cellen onderaan absorberen juist infrarood. Zo gebruiken we een groot gedeelte van de beschikbare fotonen en zetten die allemaal zo efficiënt mogelijk om in energie.”

Blussen met emmertjes water

“Vooral materialen die het blauw-groene deel van het spectrum absorberen, zijn nu het minst stabiel, daar zullen we nog wel een paar jaar aan moeten werken. Om zo’n gestapelde zonnecel goed te laten werken, moeten alle cellen allemaal evenveel stroom kunnen leveren. Denk aan het blussen van een brand met een ketting van mensen met emmertjes. Als één persoon het tempo niet kan bijbenen, stapelen alle emmertjes daar op. Kleine defecten of instabiliteit hebben dus een enorm effect.”

Een extra moeilijkheid is het feit dat het zonlichtspectrum over de dag verandert. Ook de positie, bijvoorbeeld een dak op het oosten of juist op het zuiden, maakt uit. Janssen kan zich voorstellen dat er straks op een oostdak een andere type zonnecel optimaal is dan op een zuiddak. Op die manier kun je overal de hoogste efficiëntie halen.

Eerste aanzet

Naast stapel-uitdagingen, ligt er ook een grote uitdaging in het stabiel maken van het materiaal. Perovskiet heeft een vrij zachte structuur die gemakkelijk in een andere fase overgaat, dit maakt het materiaal instabiel als je het wilt opschalen. Janssen verwacht dan ook dat het nog zeker tien jaar duurt voordat de techniek echt kan worden ingezet. De ERC-subsidie ziet hij dan ook als eerste aanzet.

Het onderzoek naar perovskiet in zonnecellen is een competitief onderzoeksveld, wereldwijd werken zo’n duizend groepen aan dit onderwerp. Janssen werkt specifiek aan het stapelen van drie of vier zonnecellen met alleen perovskiet. Naast zijn onderzoeksgroep, werken tot nu toe maar enkele andere groepen in de wereld aan deze uitdaging.

Steentje bijdragen

Janssen hoopt de eerste te zijn die een energie-efficiëntie haalt van 35 tot 40 procent met zijn perovskiet zonnecellen. “Een record verlies je altijd weer. Ik ben liever de eerste dan eventjes de beste.” Toch blijft hij ook nuchter: “Als we dit probleem over tien tot twintig jaar hebben opgelost, dient zich wel weer een nieuw probleem aan. Ontzettend veel serieuze problemen zijn via de wetenschap al opgelost, denk aan HIV, zure regen, het ozongat en corona.”

“Maar het grootste probleem staat ons nog te wachten: klimaat. Dat is een schaaltje groter en weerbarstiger dan alles wat we tot nu toe hebben gehad. Het is aan de wetenschap om alle stappen te zetten die mogelijk zijn om dit probleem op te lossen, om de kleine bijdrage te leveren die aan de oorsprong staat van de oplossing. Daar draag ik heel graag mijn steentje aan bij,” besluit Janssen.