Van zee-egel tot zonnecel (video)

"De proef kun je bij wijze van spreken op het strand uitvoeren op een sepia (het witte ovale rugschild van een inktvis) of zee-egel", vertelt Wim Noorduin, groepsleider Self Organizing Matter van Amolf. "Het is niet meer dan twee verschillende vloeistoffen die je over het kalk druppelt. Binnen enkele minuten is de omzetting compleet. Je ziet het voor je ogen gebeuren wanneer je er met een UV-lamp op schijnt: de zee-egel die eerst blauw oplicht onder de lamp, verandert druppel voor druppel in een helder groene structuur."

Alchemie

Noorduin zet de kalkstructuren om in perovskiet. "Het is eigenlijk alchemie. Midas veranderde alles in goud, wij veranderen kalk in perovskiet." Kalk komt op aarde veel voor in bijvoorbeeld kalksteengroeven en skeletten van dieren. Perovskiet is een veelbelovend nieuw materiaal voor zonnecellen. "Het ‘goud’ binnen het halfgeleideronderzoek", zegt Noorduin. Zonnecellen van perovskiet zijn efficiënt, goedkoper dan silicium zonnecellen en onderwerp van steeds meer onderzoek. "Door een vooraf gekozen structuur van kalk om te zetten in het functionele perovskiet, hebben we nu controle over zowel de vorm als de functie van het materiaal," zegt Noorduin.

Stabiele structuren

Noorduin verwacht dat het nieuwe materiaal betere zonnecellen oplevert. Doordat de onderzoekers nu controle hebben over de vorm van de zonnecel kunnen ze een structuur maken die zonlicht efficiënter opvangt. Bovendien gaat de huidige generatie zonnecellen van perovskiet nog niet lang genoeg mee. Het materiaal valt te snel uit elkaar. "Wij denken dat onze perovskietmicrostructuren veel stabieler zijn. Zonnecellen van dit materiaal zouden dus langer mee moeten gaan," zegt Noorduin. "Daarnaast kunnen we de perovskietstructuren ook in elke gewenste kleur maken. Daardoor is het materiaal ook toepasbaar als led in bijvoorbeeld beeldschermen," vertelt de onderzoeker.

Driedimensionale halfgeleider microstructuren. Door te kiezen voor een specifieke ionensamenstelling kunnen de kleuren tijdens de omzetting worden afgestemd op het hele spectrum van zichtbaar licht, van blauw naar groen naar rood. Het blauwe koraal is lood methylammonium chloride, de groene spiraal is lood methylammonium bromide en de rode vazen zijn lood methylammonium iodide. De afbeeldingen zijn gemaakt met een gemodificeerde elektronenmicroscoop. De gebruikte techniek heet cathodeluminescentie (CL).
 

Nieuwe stapeling

Met het nieuwe proces, ontwikkeld door Noorduin’s promovendi Lukas Helmbrecht en Hans Hendrikse, kun je elke kalkstenen structuur omzetten in perovskiet. Het gaat daarbij om de gecontroleerde omzetting van de ene kristalstructuur in de andere, een lastige klus binnen de chemie. Kalk bestaat uit andere ionen dan perovskiet en de stapeling is ook anders. De onderzoekers vervingen alle ionen uit kalk door andere; eerst de positief geladen calciumionen door loodionen en daarna de negatief geladen carbonaationen door bijvoorbeeld chloride. Tot slot voegden ze nog een ander ion toe, het methylammoniumion. Dit laatste ingrediënt zorgt voor een nieuwe stapeling waardoor perovskiet ontstaat.

Bedrieglijk eenvoudig

De proef is eenvoudig, als je eenmaal weet hoe het moet. De moeilijkheid van het omzetten van kalk in perovskiet is dat alles anders is: niet alleen de compositie van positief geladen kationen en negatief geladen anionen, maar ook de kristalstructuur. "De reactiecondities zoals de concentratie en zuurgraad moeten precies kloppen anders valt de structuur onmiddellijk uit elkaar. Daar zijn we wel een half jaar naar op zoek geweest."

Zo moet de uitwisseling van de kationen in de eerste stap perfect zijn. De tweede stap is nog lastiger omdat daarbij de kristalstructuur moet veranderen. Het bleek essentieel dat deze laatste stap zeer snel gebeurt om te voorkomen dat de structuur uit elkaar valt.

Andere materialen

De ionenwisselmethode is toepasbaar op allerlei materialen. Niet alleen kalk maar ook barium- of strontiumcarbonaat zijn geschikt, en misschien ook sulfaten. De onderzoekers verwachten eveneens dat de reactie kan worden uitgebreid naar andere soorten perovskiet, zodat allerlei toepassingen mogelijk worden. "Wij kunnen de principes toepassen op andere materialen zoals katalysatoren. Ook daarbij wil je controle over de vorm van het oppervlak én over de samenstelling van het materiaal."