Een goed werkende zonnecel heeft Kees Hummelen, hoogleraar scheikunde aan de Rijksuniversiteit Groningen (RUG), nog niet. Computerberekeningen echter wel. Die toonden onlangs aan dat het rendement van de flexibele plastic zonnecel nog fors omhoog kan. Binnen tien jaar wil Hummelen de sprong maken van een rendement van 10 procent naar ten minste 15 procent; volgens een recent bericht van de stichting Fundamenteel Onderzoek der Materie (FOM) ligt ruim 20 procent in het verschiet.

„Ik heb het dan over enkellaags plastic zonnecellen. Ik werk niet, zoals sommige collega’s, met meer lagen over elkaar heen zodat ze ook uitkomen op een rendement van 13 à 14 procent.”

De Groningse chemicus is niet de eerste de beste: op de internationale ranglijst van beste materiaalwetenschapper van tijdschrift Time staat hij op de zevende plaats.

Het Nederlandse onderzoek naar duurzame energie kreeg in 2010 een flinke steun in de rug. De stichting FOM nodigde in die tijd wetenschappers van Nederlandse universiteiten uit om een onderzoeksvoorstel in te sturen. De winnaar mocht tien jaar lang rekenen op in totaal 5 miljoen euro. Ook het team van Hummelen deed mee.

En u ging er met de subsidie vandoor?

„Wij leverden het beste onderzoeksvoorstel in. Dat klinkt arrogant, maar wij doken niet zomaar uit het niets op. Al vanaf 1996 werk ik aan plastic zonnecellen, en mijn vijfkoppig team heeft in totaal al meer dan 200 publicaties op zijn naam staan. Het heeft zich inmiddels bewezen.

Toen wij twee jaar geleden aan ons onderzoeksvoorstel begonnen, bestond ons computermodel niet eens; dat is nog maar een halfjaar oud. De FOM ging toen af op haar gevoel en logica.”

Logica?

„Ja. Als scheikundige moest ik een panel van gerenommeerde natuurkundigen ervan overtuigen dat mijn idee zou moeten werken. Daarvoor ben ik met hen gaan praten als een natuurkundige. Als ik was begonnen over chemische reacties had ik het misschien kunnen vergeten. Maar toen ik vertelde dat wij op zoek waren naar een specifiek molecuul met een grote diëlektrische constante, werden ze direct enthousiast.”

Hebt u al een geschikt molecuul op het oog voor de plastic zonnecel?

„Het ultieme molecuul hebben we nog lang niet gevonden. Ik ben feitelijk moleculair architect. Ik voel aan welke chemische structuren zouden kunnen werken in een plastic zonnecel. Die gaan we ontwerpen, daarna in computermodellen testen, en vervolgens bouwen. Proeven moeten uitwijzen of de moleculen werkelijk doen wat we ervan verwachten.

Binnen een paar maanden hoopt mijn team de eerste materialen te kunnen uitproberen. Ongetwijfeld zullen erbij zitten die bijvoorbeeld moeilijk elektronen afstaan of die minder stabiel zijn. Deze vallen dus af. Het is een voortdurende zoektocht naar het materiaal met de beste eigenschappen. Het is eigenlijk steeds maar draaien aan de knoppen van de eigenschappen van de stoffen.”

Wanneer kunnen we uw eerste zonnecel verwachten?

„Binnen een paar maanden. Zodra wij de eerste materialen gesynthetiseerd hebben, maken we er onderzoekszonnecelletjes van ter grootte van maximaal een vierkante centimeter. Die gaan we vervolgens testen.”

Als het lukt, wordt het een mooie bron van inkomsten?

Hummelen glimlacht. „Niet per se. We publiceren onze tussenresultaten zo snel mogelijk; de concurrentie mag meekijken. Ik hoop dat die er ook mee aan de slag gaat. Dan verloopt deze ontwikkeling mogelijk nog veel sneller; ik krijg dit onderzoek anders echt niet binnen tien jaar af. Misschien gaat de concurrentie er voor een deel met de eer vandoor, maar dat vind ik geen punt.”

Waarom niet?

„Ik wil met dit onderzoek de mensheid dienen. We moeten zo snel mogelijk de overstap maken van vervuilende naar duurzame vormen van energieopwekking. Dan houden we nog een beetje aardolie over om plastic zonnecellen van te maken. Met slechts 10.000 ton kunnen we straks genoeg panelen maken om in 25 procent van de wereldwijde energiebehoefte te voorzien.”

Betekent dat het einde van de silicium zonnecel?

„Nee, ik verwacht zelfs nog meer soorten. Er zal niet één winnaar zijn.”

De plastic zonnecel is erg licht. Zullen auto’s en vliegtuigen straks kunnen voortbewegen op zonne-energie?

Hummelen lacht. „Reken even met me mee. Stel, je hebt een auto met een oppervlak van 4 vierkante meter aan zonnecellen. Onder een helderblauwe lucht valt daar maximaal 1 kilowatt per vierkante meter op. Met een rendement van 100 procent kom je nog niet verder dan 4 kW, het vermogen van een bromfietsmotor.

Zonne-energie heeft echter zeker toekomst. Hoe meer je zelf opwekt, hoe minder afhankelijk je bent van een elektriciteitscentrale.”

Aan plastic zonnecellen wordt al bijna twee decennia gewerkt. Tot een doorbraak kwam het echter niet.

De hoogleraar schudt beslist zijn hoofd. „Dat ben ik niet met u eens. Er zijn geweldige wetenschappelijke doorbraken geweest. Daar moeten er nog een paar bij komen en dan kan de grootschalige invoering beginnen.”

Dat het team van Hummelen gestaag dichter bij dat ideaal komt, blijkt uit het jongste onderzoeksresultaat. Vorige maand maakte hij in het vaktijdschrift Nature wereldkundig dat zijn team een molecuul heeft ontwikkeld dat –tot voor kort onbruikbare– infraroodstraling gebruikt om elektriciteit op te wekken. „Ons doel is om over tien jaar een plastic zonnecel met een rendement van 15 procent te maken met een levensduur van twintig jaar. Dat is vergelijkbaar met een siliciumcel van nu; maar de onze is wel vijf tot tien keer goedkoper: je legt dan voor 1000 euro een dak vol.”

Dat klinkt als een belofte.

Hummelen staart even voor zich uit. „Ik beloof hiermee natuurlijk helemaal niets. Als ik het zou beloven, wist ik al welk molecuul ik moet hebben. Maar dan bedrijf ik geen wetenschap meer. Wetenschap gedijt immers bij de zoektocht naar het onbekende.”

„Nederland loopt hopeloos achter”

De zonnepanelen die inmiddels op heel wat Nederlandse daken liggen, zijn vrijwel zonder uitzondering van het zogeheten anorganische type; daarin is meestal gebruikgemaakt van siliciumkristallen.

De werking van zo’n zonnecel is tamelijk eenvoudig. Hij absorbeert uit zonlicht een lichtdeeltje (foton) en stoot een elektron los. Dat beweegt vrij door de halfgeleider silicium, evenals de positieve lading, een zogeheten ”gat”.

Een elektrisch veld zorgt ervoor dat het elektron en het gat naar de juiste elektroden toe bewegen. Op deze manier gaat er een elektrische stroom lopen wanneer de zonnecel wordt aangesloten op het elektriciteitsnet.

De werking van de organische of plastic zonnecel van de Groningse professor Hummelen is veel ingewikkelder. Hierin bestaat de laag die licht absorbeert uit twee soorten moleculen in plaats van siliciumkristallen.

In deze moleculen worden bij het absorberen van een foton niet in één keer een vrij elektron en een gat gevormd; ze blijven bij elkaar en ook nog steeds een beetje gebonden in het molecuul. Pas als uit zo’n aangeslagen molecuul een energierijk elektron overspringt naar het andere type molecuul, de zogeheten acceptor, ontstaan er een vrij elektron en een vrij gat.

Hoe dichter beide moleculen bij elkaar liggen, hoe gemakkelijker dat proces van overspringen verloopt. Vervolgens hopt het elektron van acceptor naar acceptor, totdat het bij de negatieve elektrode aankomt. De positieve lading doet hetzelfde in de richting van de positieve elektrode.

Een stroompje begint ook in dit geval te lopen 
als het paneel wordt aangesloten op het elektrici­teitsnet. Dergelijke flexibele plastic zonnecellen kunnen bovendien eenvoudig worden verwerkt 
in kleding en in tentmateriaal.

Zonne-energie is volgens Hummelen de energiebron van de toekomst. „Als we een zonrijk gebied ter grootte van Libië – veertig keer Nederland– zouden volzetten met zonnepanelen, konden we de hele wereld van alle energie voorzien die maar nodig is.”

In Duitsland wordt al op grote schaal energie opgewekt met zonnepanelen, vervolgt de Groningse chemicus. „Laatst werd daar met zonnepanelen op een zonnige zaterdagmiddag 50 procent van de landelijke behoefte aan elektriciteit opgewekt. Wat dat betreft loopt Nederland hopeloos achter.”