Miljoenensubsidie TU Eindhoven voor nieuwe zonnecellen van perovskiet

De ERC Advanced Grant heeft een omvang van 3 miljoen euro. Janssen is hoogleraar aan de faculteiten Chemical Engineering and Chemistry en Applied Physics. Hij gebruikt de prestigieuze Europese top-subsidie om perovskietzonnecellen te ontwikkelen met een efficiëntie tot maar liefst 40 procent.

2 keer efficiënter
Janssen wil zonnecellen tot 2 keer efficiënter maken vergeleken met de huidige zonnepanelen van silicium. Janssen zoekt 5 promovendi en 1 postdoc om hem te helpen met het onderzoek.

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

Stapelen
Nu kijkt Janssen naar het materiaal perovskiet. Zo werkt hij specifiek aan het stapelen van meerdere, 3 of wel 4, verschillende perovskietzonnecellen 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.’

Emmertjes water
‘Vooral materialen die het blauwgroene deel van het spectrum absorberen zijn nu het minst stabiel, daar zullen we nog wel een paar jaar aan moeten werken’, vervolgt Janssen. ‘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 1 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 ander type zonnecel optimaal is dan op een zuiddak. Op die manier kan men 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 men het wil opschalen. Janssen verwacht dan ook dat het nog zeker 10 jaar duurt voordat de techniek echt kan worden ingezet. De ERC-subsidie ziet hij als eerste aanzet.

Het onderzoek naar perovskiet in zonnecellen is een competitief onderzoeksveld, wereldwijd werken zo’n 1.000 groepen aan dit onderwerp. Janssen werkt specifiek aan het stapelen van 3 of 4 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 perovskietzonnecellen. ‘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 10 tot 20 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.’