7. Spaghetti met Een trivialere titel is nauwelijks denkbaar: ‘plastic zonnecellen’. En toch is dat de naam die dr. Kees Hummelen, universitair hoofddocent aan de Rijksuniversiteit Groningen, graag gebruikt voor de belangrijkste toepassing van zijn uiterst fundamentele onderzoek. “We proberen superslimme materialen te ontwikkelen die je vervolgens op een lowtech manier in elkaar kunt smeren tot een zeer goedkope zonnecel met een redelijk rendement.”
Wetenschapper op zoek naar de supersimpele zonnecel Eigenlijk had hij astronaut willen worden. Een jongensdroom die vaker voorkomt, maar die bij Kees Hummelen uitzonderlijk lang standhield: van de kleuterschool tot aan de studiekeuze. Een droom ook waar hij op één dag van genas: de open dag van de Delftse faculteit Lucht- en Ruimtevaart. “Ik zag daar alleen maar ingewikkelde formules met dubbele integralen, en ik wist dat ik iets anders moest zoeken.” Hummelen koos voor chemie en voor Groningen. Na zijn promotie (op een onderwerp uit de chemoluminescentie) bracht de Groningse fysicus Sawatzky hem in contact met de fullereenchemie, een jonge wetenschap die zich bezighoudt met exotische, perfect bolvormige koolstofmoleculen. Netwerken Polymere zonnecellen - om dat oneerbiedige ‘plastic’ toch maar te omzeilen - zijn gebaseerd op het principe van de ‘bulk-heterojunctie’. Er zijn van die woorden waar nietingewijden geen touw aan kunnen vastknopen. Hummelen glimlacht.
ballen “Denk aan spaghetti met ballen. Maar dan wel zoveel ballen dat die elkaar op veel plaatsen raken. Het komt erop neer dat je een organisch composietmateriaal maakt dat uit ‘We denken aan een zonnefolie dat je per meter van de rol kunt kopen. Gewoon in de bouwmarkt’
twee vervlochten netwerken bestaat. De spaghetti staat voor een netwerk van moleculen die elektronen kunnen afstaan, de donor, en de ballen voor een netwerk van moleculen die
elektronen opnemen, de acceptor. Licht maakt in het donormateriaal elektronen vrij die door het acceptormateriaal worden opgenomen. Er ontstaan dus positieve en negatieve ladingen en die verplaatsen zich vervolgens door de afzonderlijke netwerken naar de elektroden van de cel.” Maar zo simpel kan het onmogelijk zijn. “Klopt”, zegt Hummelen. “We hebben nog wel wat uit te zoeken.” Buckyballs De analogie met ballen is niet toevallig. In 1993 reisde Hummelen naar het gerenommeerde Institute for Polymers and Organic Solids in Santa Barbara, Californië, voor een postdoc periode bij de beroemde wetenschappers Heeger en Wudl. Hij hield zich daar bezig met de zogeheten buckyballs, grote stabiele moleculen die bestaan uit zestig koolstofatomen (C60, ook bekend als Buckminsterfullereen). Met hun vijf- en zesvlakjes hebben buckyballs exact dezelfde opbouw als een voetbal. Ze werden pas in 1985 ontdekt en brachten een behoorlijke revolutie teweeg in de organische chemie. In 1991 is bovendien een methode ontdekt om C60 in grote hoeveelheden te maken. “Buckminsterfullereen is ontzettend interessant voor het zonnecelonderzoek, omdat het materiaal vrij gemakkelijk elektronen kan opnemen. Als je kans ziet om C60 te combineren met een molecuul dat elektronen afstaat, heb je een combinatie waar je iets mee kunt. Het gaat wel om de juiste balans; een te sterke donor raakt gewoon zijn elektron kwijt en dan krijg je een zout. Een te zwakke donor werkt niet. Het mooiste is iets
41
ertussenin: een donor die elektronen afstaat onder invloed van licht. Een aantal geconjugeerde polymeren (lange moleculen met afwisselend dubbele en enkele bindingen in de ruggengraat, red.) is hier heel geschikt voor.” Ziehier in een notendop het basisprincipe voor de polymere zonnecel, zoals dat werd ontwikkeld door Serdar Sariciftci, momenteel werkzaam aan de ‘De ballen en de spaghetti zo ordenen dat ladingsdragers met weinig omwegen worden afgevoerd’
universiteit van Linz en destijds een van Hummelens collega’s in Santa Barbara. Haalbaarheid In Californië legde Hummelen zich toe op het oplosbaar maken van C60 in water en in vetten, door middel
van kleine chemische veranderingen aan de voetbal. Daarmee legde hij de basis voor zijn huidige onderzoek, waarin het immers van groot belang is dat fullereen met een ander polymeer gemengd kan worden. Ook ontmoette hij René Janssen, chemicus aan de Technische Universiteit Eindhoven, met wie hij het uitstekend kon vinden. Eenmaal terug in Nederland bleven de mogelijkheden van de buckyballs rondspoken in het brein van de Groningse onderzoeker. Via prof. Bert Meijer van de Technische Universiteit Eindhoven kwam hij in contact met Novem, en later met het e.e.t.programmabureau. Hummelen formeerde een onderzoeksteam en diende in het kader van e.e.t. een aanvraag in, die eind 1998 werd gehonoreerd. Daarmee begon de eerste fase van een uitgebreid onderzoeksplan. In die eerste fase
staat het fundamentele onderzoek zeer centraal. “We hebben onszelf vijf jaar gegeven voor het ontwikkelen van een cel met een rendement van een procent of vijf en een levensduur van enige betekenis. Vijf procent lijkt niet zo veel, maar als je weet dat we nu op ongeveer één procent zitten, is dat een hele stap. Bovendien, als die vijf procent realiseerbaar is, is eigenlijk de kogel door de kerk. Dan komt die tweede fase er ook wel, waarin we inzetten op tien procent, en daarna komt de fase van het productierijp maken. Dus ja, inderdaad, we denken aan een ontwikkeltraject van zo’n vijftien jaar.”
Structuur ordenen Alles is nu gericht op het verhogen van het rendement van de cel. Daarbij ‘Als we een rendement van vijf procent halen, is de kogel door de kerk’
zijn twee grootheden van belang: de lichtabsorptie van het polymeer en de geleidbaarheid van het mengsel. Hummelen praat erover met de aanstekelijke eenvoud van iemand die de materie volledig beheerst. “Momenteel zijn we vooral met die geleidbaarheid bezig. Kijk, de overdracht van elektronen van de donor naar de acceptor gaat verschrikkelijk goed. Met de allersnelste lasers ter wereld hebben we tijden gemeten van 40 femtoseconden, en dat is extreem snel. Maar minstens zo belangrijk is dat het terugspringen van elektronen veel langzamer gaat. Er is dus tijd om elektronen af te voeren naar de elektroden van de cel. Maar dat moet dan wel snel gebeuren. En daar zit de bottleneck; op dit moment wordt het rendement van onze cel vooral beperkt door de geleidbaarheid. Wat we nu proberen, is de ballen en de spaghetti zodanig te ordenen dat het
afvoeren van ladingsdragers met zo weinig mogelijk omwegen gebeurt. De materiaalstructuur, dat is het geheim van de smid.” Behalve het rendement is ook de levensduur van de cel van belang. Die is nu nog niet geweldig, omdat het gebruikte materiaal degenereert. Wat dat betreft, heeft Hummelen goede hoop. Philips Research zag kans de levensduur van de polymere LED, die fysisch gezien grote gelijkenis vertoont met de polymere zonnecel, in tien jaar tijd te verlengen van een paar seconden tot meerdere jaren. Bouwmarkt Even enthousiast als hij vertelt over de chemische en fysische principes van de polymere zonnecel, steekt Hummelen van wal over de betekenis van de cel voor de toekomstige energievoorziening. De hoogste troef van de polymere zonnecel is de lage kostprijs. “We zijn op zoek naar materialen die zo slim zijn, dat je er bij wijze van spreken aan het aanrecht zonnecellen van kunt maken. Het vinden en afstemmen van die materialen vergt jaren onderzoek, maar als het lukt, kun je in een letterlijk spotgoedkoop proces zonnecellen maken. We denken bijvoorbeeld aan een soort zonnefolie dat je per meter van de rol kunt kopen. Gewoon in de bouwmarkt. Misschien komt het nóg eens tien jaar later als een soort verf op de markt. Daken, muren en ramen - bijna alles kun je dan gebruiken om elektriciteit op te wekken. Als dit geen doorbraaktechnologie is, weet ik het niet.” En dan zijn nog niet eens de spin-offs van dit onderzoek ter sprake geweest, de bruikbaarheid van de opgedane kennis op andere vakgebieden. Een van de partners in dit e.e.t.-project is Philips Research, dat de onderzoeken van de andere
43
partners op de voet volgt. Niet omdat Philips direct iets zou willen met zonnecellen, maar omdat er grote parallellen zijn met de ontwikkeling van bijvoorbeeld polymere LED’s. Plannen “Het lijkt nu alsof die plastic zonnecellen ons enige doel zijn, maar dat is niet zo. Als je alleen maar nieuwe materialen maakt en daarmee een cel in elkaar knutselt die het aardig doet, zonder dat je precies weet waarom hij het doet, dan heb je eigenlijk een stap gemist. Daarom verzamelen we allerlei kennis over de processen die zich in het materiaal afspelen. Dit is een vrij extreem voorbeeld van fundamenteel onderzoek.” Dat onderzoek is momenteel geconcentreerd rond de universiteiten van Groningen en Eindhoven. Het onderzoeksteam omvat inmiddels zes groepen. Behalve die van Hummelen is dat de groep van prof. George Sawatzky (fysica, Groningen), van dr. René Janssen (polymeerchemie en
Polymer PV Project Doel Ontwikkeling van een intelligent materiaal waarvan zeer eenvoudig en goedkoop zonnecellen gemaakt kunnen worden. Penvoerder Rijksuniversiteit Groningen Contactpersoon Dr. J.C. Hummelen, telefoon (050) 363 55 53
[email protected] Partners ECN, Technische Universiteit Eindhoven. Philips Electronics Nederland
fotofysica, Eindhoven) en van prof. Bert Meijer (supramoleculaire chemie, Eindhoven). ECN (dr. Jan Kroon) brengt kennis in op het gebied van devices en karakteristieken en, zoals gezegd, ook Philips Research (prof. Hans Hofstraat) is bij het project betrokken. De groep van prof. Serdar Sariciftci in Linz treedt regelmatig op als subcontractant van de Groningse universiteit. “Dit onderzoek is ongelofelijk multidisciplinair”, zegt Hummelen, “In deze fase ligt de nadruk van het project op het fundamentele. Maar we hebben afgesproken dat we van begin ook ervaring willen opdoen met de technieken die nodig zijn om op termijn die zonnecel te gaan produceren. Als de cel op een gegeven moment aardig begint te werken, zul je zien dat er meer industriële partijen bij worden betrokken. Misschien ziet Shell Solar er wel iets in, of Akzo. En dan gaan wij verder met het fundamentele werk. Serdar, René en ik, we hebben nog hele aardige plannen voor de toekomst.“
