Zonnecelonderzoeker René Janssen wint Spinozapremie 2015

René Janssen van de Technische Universiteit Eindhoven wint dit jaar een Spinozapremie van 2,5 miljoen euro van de Nederlandse Organisatie voor Wetenschappelijk Onderzoek (NWO). Hij werkt al jaren aan het verbeteren van organische zonnecellen. Kennislink vraagt Janssen of de organische zonnecel ‘koning silicium’ van de troon kan stoten.

12 juni 2015

Kregen onderzoekers zo’n tien jaar geleden amper een procentje van de totale lichtenergie uit organische zonnecellen geperst, tegenwoordig tikken ze een respectabele 12 procent aan. Een grote verbetering die mede mogelijk is door het onderzoek van René Janssen, professor Moleculaire Materialen en Nanosystemen van de Technische Universiteit Eindhoven.

Zo vonden Janssen en collega’s onder andere een manier om de lagen van een organische zonnecel nauwgezet op te stapelen. Hierbij worden slechts enkele tientallen nanometers dikke lagen van geleidende materialen (bijvoorbeeld metaaloxides) afgewisseld met verschillende lagen van halfgeleidende organische moleculen, zoals langgerekte polymeren of voetbalvormige fullereen-moleculen. Samen zetten die lagen licht om in elektriciteit.

De verbetering zit hem ook in het combineren van verschillende cellen. “We hebben nu werkende systemen die eigenlijk uit drie verschillende zonnecellen op elkaar bestaan”, zegt hij. “Doordat iedere laag voor een andere golflengte gevoelig is kun je het rendement verhogen.”

Het rendement van organische zonnecellen blijft nog achter bij de veelgebruikte variant op basis van de halfgeleider silicium (die meer dan 20 procent haalt). Maar toch benadrukt Janssen dat de organische zonnecel enorm vooruit gegaan is. “Eind jaren negentig waren we nog bezig met het ontrafelen van de eigenschappen van de afzonderlijke materialen, en nu stapelen we er 18 lagen van op elkaar in een werkende zonnecel.”

Het einde van de groei is ook nog niet in zicht. Elk jaar wordt het rendement van organische zonnecellen gemiddeld met een klein procent verhoogd. “En dat gaat nog door”, verzekert Janssen, wiens onderzoek ook kan verklaren hoe zonnecellen beter worden. “Waar het ophoudt? Kom dat later maar eens vragen! We weten in ieder geval waar we nog kunnen verbeteren.”

Concurreren met silicium

De zonnecellen uit het laboratorium van Janssen zijn nog niet te koop en dat kan volgens hem ook nog wel even duren. Eerst moet het rendement verder omhoog, richting de 15 of 20 procent. En dan moeten ze de concurrentie aankunnen met de volgroeide silicium-zonnecellen, die de Nederlandse daken gestaag veroveren.

Dat kan nog een lastig te winnen strijd worden, want waar silicium-zonnecellen eerst nog relatief duur waren, is de prijs de afgelopen jaren enorm gedaald; mede door Chinese producenten die massaal goedkope zonnepanelen zijn gaan maken.

Onderzoekers uit het ‘organische kamp’ hebben jarenlang volgehouden dat hun zonnecellen als product uiteindelijk goedkoper zou worden dan de silicium-variant, maar Janssen is daar nu niet zo zeker meer van. “De kostprijs van siliciumzonnecellen is de afgelopen tien jaar ook tien keer lager geworden; het is niet vanzelfsprekend dat organische zonnecellen daaronder komen.”

Maar als de productie en levensduur van organische zonnecellen uiteindelijk op orde is dan hebben ze in ieder geval één beentje voor: ze zijn flexibel te maken. Dat kan in sommige gevallen een reden zijn om ze te verkiezen boven starre siliciumpanelen. “We hoeven natuurlijk ook niet voor één systeem te kiezen, ze kunnen elkaar mooi aanvullen”, zegt Janssen.

Perovskiet en brandstoffen uit zonlicht

Hoewel zonnecellen een belangrijke rol spelen in het onderzoek van Janssen, doet hij meer. Hij kijkt ook naar het direct maken van brandstoffen uit zonne-energie. Denk aan het onder invloed van zonlicht spitsen van water in zuurstof en het (brandbare) waterstof, of het omzetten van waterstof en CO₂ in een volwaardige synthetische brandstof. Dat laatste probeert hij nu voor elkaar te krijgen door chemische reacties te koppelen aan de absorptie van licht.

De productie van waterstof en zuurstof onder invloed van licht.
Bart van Overbeeke

En alsof dat niet genoeg is staan ook perovskiet-halfgeleiders op de radar van Janssen. Dit nieuwe materiaal speelt momenteel een hoofdrol in de stormachtige ontwikkeling van zonnecellen met een hoog rendementm maar ook in ledjes. In het Eindhovense lab zijn de eerste succesvolle experimenten al gedaan.

Janssen zegt dat hij de 2,5 miljoen euro Spinozapremie gaat gebruiken om al deze onderzoeksgebieden te versterken. “Toen de voorzitter van NWO mij opbelde was ik zeer verrast en vereerd. Het is een prachtige erkenning voor ons werk. En het biedt nu zoveel mogelijkheden!” Ook denkt Janssen dat hij nu onderzoek kan doen dat anders wellicht niet had gedaan. “Voor de aanvraag van beurzen moet je vaak al iets laten zien. Een soort uitwerking of aanzet tot resultaten. Omdat dat nu niet hoeft kunnen we ook eens wat gekkere dingen proberen.”

De Spinozawinnaars van dit jaar zijn…

René Janssen, hoogleraar Molecular Materials and Nanosystems aan de Technische Universiteit Eindhoven.
Birgit Meyer, hoogleraar Religious Studies aan de Universiteit Utrecht.
Aad van der Vaart, hoogleraar Stochastics aan de Universiteit Leiden.
Cisca Wijmenga, hoogleraar Human Genetics aan de Rijksuniversiteit Groningen.