Waarom plastic zonnecellen hun populariteit verloren

Wie over de A7 vanuit het westen naar Groningen rijdt, ziet links het dorpje Oostwold voorbijschieten. Dat gaat veranderen: binnenkort ­begint de bouw van een geluidswal. De wal, een initiatief van de dorpsbewoners, schermt het dorp niet alleen af van het snelweglawaai. Hij wordt ook ­bekleed met zonnepanelen, en maakt het dorp zo in één klap energieneutraal.

Kees Hummelen, materiaalchemicus aan de Rijksuniversiteit Groningen, is een van de betrokken dorpelingen. Welk soort zonnepaneel ligt er tegen de wal? ‘Silicium’, zegt Hummelen beslist. ‘Dat is voor zulke projecten op dit moment ­verreweg de goedkoopste en beste ­optie.’

Het is een flauwe vraag, want Hummelen werkt al ruim twintig jaar aan een alternatief voor de gangbare silicium zonnepanelen: zonnepanelen van plastic. Plastic zonnecellen waren in het begin van deze eeuw een hype. Waar gangbare zonnecellen gebruikmaken van de halfgeleider silicium om stroom op te wekken, is dit materiaal in organische zonnecellen vervangen door polymeren, moleculen die zijn opgebouwd uit een schakel van kleinere moleculen. Poly­meren vormen ook het hoofdbestanddeel van kunststoffen en organische stoffen als eiwitten – vandaar de naam ‘plastic’ of ‘organische’ zonnecellen. Plastic zonnefolie, zo was de belofte, is in potentie flexibeler, dunner, lichter en véél goedkoper dan het klassieke zonnepaneel.

Hype

Hummelen wijst naar een model van een molecuul op zijn vensterbank, dat wel wat wegheeft van een uit de kluiten gewassen voetbal. ‘Dat is de ‘Buckybal’’, zegt Hummelen. ‘Buckminsterfullereen, oftewel C60.’ Het is dit molecuul dat de hype rond organische zonnepanelen aanzwengelde. Het probleem van organische zonnecellen was lange tijd dat de opbrengst per vierkante meter laag lag. Maar in 1995 schreef Hummelen samen met onder andere de latere Nobelprijswinnaar Alan Heeger een publicatie waarin ze een op maat gemaakt Buckybal-molecuul gebruikten om de efficiëntie van plastic zonnecellen flink op te krikken. Simpel gezegd lieten ze zien dat het mogelijk is twee bestanddelen te mengen en daarmee het rendement van plastic zonnecellen omhoog te stuwen. Hummelen: ‘Die publicatie was een hit, daarna is de interesse in het onderzoeksgebied geëxplodeerd.’

Deze zomer volgde een nieuw hoogtepunt: Chinese onderzoekers slaagden erin een rendement van 17,3 procent te behalen met een plastic zonnecel. Weliswaar is dat nog steeds lager dan de 25 tot 27 procent van silicium, maar het is een prestatie die niemand tien jaar geleden voor mogelijk had gehouden.

Dus, is het een kwestie van tijd voor we massaal aan de goedkope plastic zonnepanelen gaan? Nou, nee. Plastic zonnepanelen zijn lang niet meer zo populair in de wetenschappelijke wereld als ze vijftien jaar geleden waren, zo blijkt. Producenten van plastic zonnepanelen zijn nauwelijks te vinden. In Nederland is er niet één.

‘Plastic zonnecellen zijn niet meer zo hip’, constateert Hummelen. Hij verwacht niet dat de hegemonie van silicium zonnecellen snel wordt verbroken. Wim Sinke, hoofdonderzoeker zonne-energie bij ECN part of TNO, beaamt dit. ‘Wij hadden tot enkele jaren geleden een onderzoeksprogramma op het gebied van plastic zonnecellen, maar dat programma hebben we omgebouwd naar andere materialen.’

Dalende grondstofprijs

Waarom krijgt onderzoek naar andere materialen voor zonnecellen de voorkeur boven de plastic variant? Wat opvalt aan zonnecelonderzoek is dat economische omstandigheden nauw verweven zijn met de richting van het onderzoek. Eind jaren negentig leken plastic zonnecellen een ideaal – want zeer goedkoop – alternatief voor silicium zonnecellen. Silicium zonnecellen zijn relatief dik en zitten meestal achter glas, terwijl plastic zonnecellen flinterdun zijn. Daardoor heb je tot wel duizend keer minder materiaal nodig per vierkante meter, wat scheelt in de prijs.

Maar wat iedereen heeft onderschat, vertelt Sinke, is dat de prijs van silicium door schaalvergroting en toenemende efficiëntie van de productieketen extreem is gedaald. ‘Een kilo zuiver silicium is op dit moment goedkoper dan een kilo oude kaas’, zegt hij. Daarmee is het speelveld compleet veranderd. ­Hummelen: ‘Het is op dit moment voor geen enkele technologie makkelijk om silicium te verslaan. Het is zó absurd goedkoop. Ik heb vanochtend nog even gekeken, het is nu alweer goedkoper dan in augustus.’

Wat ook meetelt, is dat zonnecellen vooral worden afgerekend op rendement: de mate waarin ze energie uit zonlicht werkelijk in elektrische energie omzetten. Wie de officiële tabellen erop naslaat, ziet dat de ontwikkelingen ­razendsnel zijn gegaan. De beste cellen op dit moment, bestaande uit vier op elkaar gestapelde en in serie werkende cellen, halen in het lab een rendement van 46 procent. Veel meer dan de 17,3 procent van die recente plastic cel. Bovendien is de markt conservatief, zegt Hummelen. De volledige productiestructuur is afgesteld op silicium panelen. Schakelen naar een nieuw materiaal kost tijd en geld, en brengt risico’s met zich mee: van silicium weten we inmiddels zeker dat het veilig is en heel lang werkt, bij plastic is dat de vraag.

Nichemarkt

Toch betekent dat niet dat de plastic zonnecel geen enkele rol van betekenis kan spelen. ‘Het begint met een nichemarkt’, zegt Hummelen. ‘Stel, je wilt een zonnepaneel met een bepaalde vorm en kleur. Dat gaan ze in China niet met silicium maken, want daar werken ze alleen met standaardpanelen van 1 bij 1,5 meter. Als je écht iets moois wilt, zoals een transparante zonnecel of in verschillende kleuren, dan kun je met plastic zonnecellen van alles doen.’

Zonnepanelen die niet alleen efficiënt energie leveren, maar ook mooi zijn: ook volgens Sinke is het niet ondenkbaar dat de markt voor zonnepanelen deze kant op beweegt. ‘Plastic zonnecellen worden steeds meer gepositioneerd als materiaal voor nieuwe toepassingen. Denk aan elektriciteit producerende ramen, of mooi gekleurde films’, zegt hij. ‘We zien nu al klanten die liever een iets duurder maar stijlvoller zwart paneel in gebouwen verwerken dan blauwe panelen. Het heet dan een nichemarkt, maar die markt zou wel eens heel groot kunnen worden.’ Hummelen: ‘Nu willen veel mensen nog het goedkoopste zonne­paneel. Maar als je een auto koopt, is het ineens geen probleem om een twee keer zo dure auto te kopen als je buurman. Die kant gaat het met zonnepanelen ook op.’ En waarom zou deze nichemarkt niet met plastic zonnecellen kunnen werken?

Zowel Hummelen als Sinke zien een toekomst voor zich waarin voor elke ­situatie een zonnepaneel op maat gemaakt wordt. Die brede focus op meerdere materialen heeft een bijkomend voordeel. Hummelen: ‘Vroeger zaten onderzoekers op hun eigen eilandje, en werkten ze met één materiaal en verder niets. Maar de afgelopen twintig jaar zie je veel meer kruisbestuiving. Kennis die wordt opgedaan met plastic zonnecellen, wordt ook bij andere materialen toegepast.’ Zo werden perovskieten, halfgeleidermaterialen die nu razend populair zijn bij wetenschappers, voor het eerst toegepast in een type organische zonnecel.

Dus, hoewel plastic zonnecellen de wereld waarschijnlijk niet zullen veroveren, is al dat onderzoek van Hummelen en zijn collega’s niet voor niets geweest. Zolang het grote doel maar dichterbij komt. ‘Zonne-energie is de energiebron van de toekomst’, zegt Hummelen ­beslist. ‘Van alle elektriciteitsproductie die er jaarlijks wereldwijd bijkomt, ­leverde zon in 2017 al 60 procent. Uiteindelijk zal het de goedkoopste bron van elektriciteit worden.’