Perovskieten en kwantum dots: Nieuwe materialen voor zonnepanelen en LED lampen

Nieuwe materialen ontwikkelen die licht erin stroom omzetten – of stroom in licht. Dat is in een notendop wat Maria Antonietta Loi doet als hoogleraar Fotofysica en OptoElektronica aan de RUG. ‘Ik richt mij op nieuwe soorten halfgeleiders met bijzondere structuren en eigenschappen.’ Ze gebruikt ze om goedkope, dunne en flexibele zonnecellen, lichtbronnen en sensoren te maken.

FSE Science Newsroom | Tekst René Fransen | Fotografie Leoni von Ristok

In 2009 werd een nieuw type zonnecel geïntroduceerd, gemaakt van een materiaal met een bijzondere kristalstructuur: perovskiet-zonnecellen. Inmiddels is dit type al commercieel verkrijgbaar, je kunt ze bestellen bij de Chinese firma Renshine Solar. Loi toont een klein paneel met een patroon van namaak-marmer: ‘Die kun je gebruiken als gevelbekleding op gebouwen.’ Een ander voorbeeld staat op de website van Renshine: een koptelefoon met flexibele zonnecellen op de hoofdband.

De efficiëntie van perovskiet zonnecellen is hoog, en in het lab vergelijkbaar met die van silicium zonnecellen. Maar ze hebben meer voordelen: de panelen worden gemaakt van een dunne film, veel lichter dan silicium en bovendien flexibel. De films zijn gemaakt door een oplossing met moleculen die perovskiet kristallen kunnen vormen te coaten op een ondergrond. Die procedure is eenvoudiger dan het maken van silicium zonnecellen. Bovendien zijn perovskiet cellen in verschillende kleuren te maken.

Maar er is ook een nadeel: de perovskieten die nu gebruikt worden zijn niet stabiel in lucht. ‘Je kunt de cellen luchtdicht afsluiten op een zonnepaneel, maar je moet goed oppassen tijdens de productie’, legt Loi uit. Een ander nadeel is dat de beste perovskieten lood bevatten, een metaal dat giftig is voor mensen en slecht voor het milieu.

Een onofficieel wereldrecord

Daarom werkt Loi aan perovskieten waarbij het lood deels is vervangen door het minder schadelijke tin. Dat gaat niet zomaar: ‘Wanneer je de bouwstenen van perovskiet verandert levert dat technische problemen op die je moet oplossen’, vertelt Loi. ‘Veel combinaties zijn bijvoorbeeld instabiel.’ Ze vond een nogal simpele manier om goede werkende zonnecellen te maken: heel erg schoon werken. ‘Er kwam een keer een postdoc op werkbezoek omdat hij onze resultaten niet kon reproduceren. Ik zei hem dat hij iedere dag de afgeschermde handschoenkast waarin hij werkte schoon moest maken.’ De bezoeker dacht dat ze een grapje maakte, maar ontdekte al snel dat dit niet zo was.

Onlangs presenteerde Loi op een conferentie lood-tin perovskieten, gemaakt door haar groep, die licht in stroom omzetten met een efficiëntie van 25,9 procent. ‘Dat is een onofficieel wereldrecord voor lood-tin perovskiet, en bijna gelijk aan de 27 procent efficiëntie van lood-perovskiet. De komende vijf jaar willen we deze lood-tin perovskieten stabieler maken, en net zo efficiënt als perovskiet met alleen lood.’ Perovskiet zonnecellen hebben nog een voordeel: ze zijn te combineren met gewone silicium cellen. ‘Zulke gecombineerde zonnecellen zijn in het lab 10 procent efficiënter dan gewone silicium cellen. Daar richten bedrijven zich nu op.’

Kwantumdots

Als natuurkundige is Loi steeds weer bezig om materialen zo te vormen dat ze de eigenschappen krijgen die zij wil. ‘We beginnen dat proces met het doen van allerlei metingen, om te begrijpen wat voor eigenschappen de materialen hebben. Vervolgens zoeken we uit hoe we ze de gewenste eigenschappen kunnen geven. En tenslotte maken we werkende systemen met deze materialen.’ Zo werkt ze ook aan kwantumdots: kleine clusters van deeltjes die zich gedragen als één superatoom. Door hun grootte te veranderen kan Loi ze afstellen op specifieke eigenschappen.

Op haar bureau staan bijvoorbeeld detectoren voor infrarood licht. Die zijn te gebruiken om een camera te maken die door mist heen kan kijken, of om afstanden te meten. Loi: ‘Je kunt een laser gebruiken met een golflengte die niet schadelijk is voor onze ogen, en een detector maken die het gereflecteerde licht kan meten, zodat je de afstand tot een object kunt bepalen.’ Een voormalige promovendus uit haar groep heeft hiervoor een bedrijf opgericht, het Groningse QDI Systems, dat kwantumdot sensoren maakt, voor infrarood licht en voor röntgenstraling.

Een probleem van de kwantumdots is dat ze lastig op een reproduceerbare manier te maken zijn. En net als bij de perovskiet zonnepanelen bevatten de beste dots lood. ‘Mijn collega professor Loredana Portesescu werkt hieraan, ze ontwikkelt kwantumdots van de elementen indium en antimoon. Die zouden dezelfde eigenschappen moeten hebben als de huidige dots van loodsulfide.’

De toepassingen die de groep van Loi ontwikkelt leiden al tot echte producten. Voormalige groepsleden hebben daarvoor bedrijven opgericht. Loi: ‘Uiteindelijk willen we iets maken dat nuttig is, dat het leven van mensen gemakkelijker maakt en dat bijdraagt aan onze lokale economie.’