Groningse hoogleraar: ‘Iedereen met zonnecellen meet verkeerd’

Jan Anton Koster noemt zichzelf gekscherend de device doctor. Collega-onderzoekers van over de hele wereld kunnen bij deze hoogleraar van de Rijksuniversiteit Groningen terecht als ze willen weten waarom hun zonnecel niet zo goed is als ze hadden gehoopt.

Zonnecel is meer dan rendement
Koster ontdekte onder andere dat een eenvoudige meting inzicht geeft in waar in een zonnecel energie verloren gaat, en dat een veelgebruikte meting vaak nét verkeerd wordt uitgevoerd. Stel dat je een mooie nieuwe zonnecel maakt, bijvoorbeeld een van perovskieten. Dan kun je allerlei metingen gaan doen: hoeveel vermogen het ding levert bij verschillende lichtintensiteiten, of bij verschillende kleuren uit het spectrum.

‘Ik wil graag precies snappen hoe we die metingen moeten interpreteren’, vertelt Koster. ‘En hoe wetenschappers die kunnen gebruiken om hun zonnecel te verbeteren.’

Strak gedefinieerd rendement
Het opgewekte vermogen zegt natuurlijk iets over efficiëntie, legt Koster uit. Dé efficiëntie van een zonnecel is heel strak gedefinieerd: het is een standaardmeting onder wit licht bij 25 graden Celsius en met een vaste lichtintensiteit.

‘Er worden al jarenlang wereldrecords bijgehouden van zonnecellen die onder die specifieke omstandigheden in het lab een hoog vermogen weten op te wekken. Groningen staat trouwens ook in die lijst, dat is een record van lang geleden. Maar er is zoveel meer te meten, en als je goed snapt wat je meet, helpt dat je weer om nieuwe materialen te ontwikkelen.’

Rood en blauw ledje
Koster ontdekte met zijn team dat je op een vrij eenvoudige wijze een aantal metingen kunt doen met verschillende kleuren licht, en uit die combinatie van metingen kan afleiden waar in de zonnecel energie verloren gaat. Een typische zonnecel bestaat uit een middenlaag van bijvoorbeeld perovskieten, dat men de bulk noemt, met daarboven en daaronder twee lagen die de opgewekte elektrische lading moeten afvoeren, waardoor een stroompje gaat lopen.

‘Wij hebben laten zien dat een vergelijking van metingen bij rood en blauw licht laat zien waar het grootste energieverlies zit: in de bulk, tussen bulk en bovenlaag, of tussen bulk en onderlaag.’ Een eenvoudig blauw en rood led-lampje, dat is alles wat ervoor nodig was, vertelt Koster. Een heel simpel experiment eigenlijk. ‘Al mijn collega’s zouden zulke ledjes moeten kopen! Het zou ze helpen om zonnecellen nog beter te maken.’

Vaak niet helemaal goed uitgevoerd
Koster geeft nog een voorbeeld: ‘Er is een experiment dat veel onderzoekers doen, maar dat lastig te interpreteren is. Dat is het meten van de impedantie, de mate van beweeglijkheid in het materiaal. Dan zet je de zonnecel onder gelijkstroom, die je een klein beetje laat fluctueren.’ Het idee was dat deze meting iets zei over hoelang elektronen in beweging blijven als ze eenmaal in beweging zijn gekomen. ‘Dat is ook wel zo, maar vaak werd het experiment net niet helemaal goed uitgevoerd: dan werd het net bij de verkeerde spanning gemeten. Wij hebben laten zien dat je dan eigenlijk steeds hetzelfde meetresultaat krijgt, of je nou een heel efficiënte zonnecel hebt, of een heel slechte. Dat zegt dus eigenlijk niks.’

Impedantie moet je meten zónder spanning en met belichting, stelt Koster. ‘En dan kun je inderdaad wel iets zeggen over hoelang de geladen deeltjes in beweging blijven. Met behulp van simulaties weten we inmiddels precies wat de piek in zo’n meting zegt. En we hebben ook ontdekt waarom je uit dat oude experiment, dus bij verkeerde spanning, eigenlijk helemaal niks kon afleiden.’

Liever simuleren dan losse gevallen
Collega-wetenschappers komen nogal eens bij Koster met metingen die ze zelf al hebben gedaan, met het verzoek om die te interpreteren. ‘Maar het is eigenlijk leuker om met behulp van simulaties na te denken over hoe dit soort dingen werken in het algemeen, in plaats van elk specifiek geval apart te onderzoeken. We wilden ooit een zogenaamde device doctor ontwikkelen, een soort diagnostische tool waarmee je precies kunt aanwijzen op welk punt je je zonnecel kunt verbeteren. Dat is uiteindelijk een flowchart geworden die hier aan de muur hangt. Maar het is natuurlijk ook een woordspeling. Eigenlijk ben ik die device doctor gewoon zelf.’