De Groningse wetenschapper Kees Hummelen is een van de pioniers op het gebied van de organische zonnecel, een goedkoper en slanker alternatief voor de dikke zonnepanelen zoals we die kennen. Na 22 jaar onderzoek is zijn ‘kindje’ bijna klaar voor de commerciële markt.

Het begon allemaal in 1995, toen Hummelen op 39-jarige leeftijd in een lab in Californië als postdoc zocht naar een nieuwe aidsremmer, en daarbij per ongeluk stuitte op een product dat later de sleutel bleek voor de ontwikkeling van de plastic zonnecellen.

“We hadden een vergadering waarbij scheikundigen en natuurkundigen bij elkaar kwamen”, vertelt de onderzoeker vanachter zijn bureau op de Zernike Campus. “Die natuurkundigen zeiden: “We hebben een nieuw soort zonnecel ontdekt, maar er is één probleem: het werkt niet.” Dat wil zeggen, ze zochten een mengsel van polymeer (verbindingen die uit een hele reeks van dezelfde moleculen bestaan, red.) met C60.

Wat is C60? Fullerenen zijn moleculen die volledig uit koolstofatomen bestaan en de vorm hebben van een bal. Deze sferische structuur bestaat uit zeshoeken en vijfhoeken. De kleinste bal is C60. Dit molecuul bestaat uit zestig koolstof atomen en lijkt daarmee precies op een voetbal. C60 wordt ook wel Buckminster Fullereen genoemd, vernoemd naar Richard Buckminster Fuller, de uitvinder van de geodetische koepel.

Maar die C60 wil niet mengen, dus dat was een probleem. Toen duurde het een halve seconde en heb ik m’n hand omhoog gedaan, en zei: “Daar heb ik wel wat voor. Ik heb een stofje, PCBM, dat maak ik om een heel andere reden. Maar dat is een mooi oplosbaar en mengbaar fullereen derivaat, dus gebruik dat maar.” En dat was ‘m. Dat was het begin van alles.”

Hoe werkt een plastic zonnecel?

Organische zonnecellen – ook wel plastic zonnecellen genoemd – bestaan uit een lichtabsorberend polymeer dat positieve lading kan geleiden en fullerenen die elektronen accepteren en vervolgens geleiden. De zonnecel werkt als volgt: een polymeer absorbeert zonlicht. Door de energie van het licht kan een elektron van het polymeer naar een hoger energieniveau springen. Als er een goed elektronaccepterend fullereen in de buurt is kan die elektron hiernaar overspringen.

Er blijft nu een positieve lading over op het polymeer, terwijl het fullereen een negatieve lading heeft. Als er nanobuisjes op het materiaal zijn aangesloten – die fungeren als superkleine elektriciteitsdraadjes – kan de positieve lading naar de ene elektrode reizen terwijl de negatieve lading naar de andere elektrode kan reizen. En zo wordt stroom opgewekt.

Grote voordeel van plastic zonnecellen is dat ze goedkoop zijn om te maken, en dat het materiaal dun en flexibel is. Een laag van een organische cel is zelfs duizend keer dunner dan die van een silicium zonnecel. Maar het rendement is wel een probleem. Dat stijgt niet snel genoeg. Om plastic zonnecellen commercieel interessant te maken moet de cel ook buiten het lab 10 procent rendement halen. En dat is nog steeds niet het geval.

©PXimport

‘En nu komt het’, zegt de chemicus. ‘We zijn nu 22 jaar verder. En wat is er gebeurd in de siliciumwereld? Een totale, ongelooflijke, schitterende revolutie als het gaat om de prijsontwikkeling. Ik zou wel gek zijn als ik niet zou kijken of mijn stof daar niet iets goeds kan doen.’

Hummelen vergelijkt het met de ontwikkeling van computerprocessoren. Gordon Moore voorspelde vijftig jaar geleden dat de snelheid van de chips in onze computers zich steeds zou blijven verdubbelen. En dat tegen dezelfde kosten. Eenzelfde ‘wet’ geldt ook voor de silicium zonnecellen, denkt Hummelen, maar dan op het gebied van de prijs.

“Twee jaar geleden kwam uit de siliciumindustrie een rapport dat zei: over tien jaar kost wat we nu doen de helft van het geld. Het is nu dus twee jaar later, en we zijn er ongeveer. Supergoed! Als er nu collega’s zijn die zeggen: “Ik werk aan een nieuw type zonnecel en die wordt aanzienlijk goedkoper dan silicium, en daarmee gaan we ervoor zorgen dat zonnepanelen betaalbaar worden.” Dan zeg ik: Bullshit, het is nu al ongelooflijk betaalbaar, en het gaat met zo’n noodgang dat over tien jaar de wereld er weer heel anders uitziet.”

En daar komt nog bij dat het rendementsrecord van de silicium zonnecellen, met 26 procent, dat van de plastic modellen doet verbleken. Plastic kan gewoon nog niet tegen silicium op.

Perovskiet

Dat betekent niet dat de medeontdekker van de plastic zonnecel niet meer achter zijn ‘kindje’ staat. Er is nog steeds een belangrijke rol voor plastic weggelegd in de toekomst, denkt hij. Maar het betekent wél dat Hummelen en zijn team breder onderzoek zijn gaan doen. Hij moet ook wel, want de handel in PCBM neemt af, geeft de onderzoeker toe, omdat wetenschappers nu massaal achter een ander materiaal aanrennen.

‘Dus we kijken naar de ontwikkeling van de organische zonnecel, maar we kijken ook naar de ontwikkeling van dat nieuwe materiaal: perovskiet’, vertelt hij.

Het is de nieuwe heilige graal in het zonnecellenonderzoek, en werd in 2013 door vooraanstaand wetenschapstijdschrift Science al betiteld als doorbraak. Het is spotgoedkoop, eenvoudig te maken, absorbeert veel zonlicht en geleidt bijzonder goed. Daarnaast is het dun, gemakkelijk te printen en is te combineren met de populaire en commercieel veel interessantere silicium zonnecellen.

Perovskiet is een klasse van materialen die dezelfde kristalstructuur hebben als calcium-titanium-oxide (CaTiO3). Het werd begin 19e eeuw ontdekt door de Russische mineraloog Lev Perovski, maar pas in 2009 door Japanners voor het eerst toegepast in een zonnecel. Toen werd al een efficiëntie van 3 procent gehaald. Inmiddels staat het record op 24 procent. “Het is een hype”, constateert Hummelen.

Alternatieven

Zijn collega Maria Antonietta Loi, hoogleraar fotofysica en opto-elektronica in Groningen, richt sinds vier jaar veel van haar onderzoek op de nieuwe technologie. Het gaat silicium niet vervangen, denkt ze. “Als je dacht dat de auto-industrie conservatief was, de halfgeleiderindustrie is nog veel erger”, zei ze eerder in een interview.

“We kijken daarom naar een combinatie van beide, perovskiet en silicium”, vertelt Hummelen. “Stel, je kunt een goedkoop laagje perovskiet boven op het silicium leggen. Dan kun je het rendement behoorlijk omhoog tillen, zonder dat het veel meer kost.” De efficiëntie gaat dan misschien wel naar 35 procent, denkt Loi.

Perovskiet zonnecellen zijn gemaakt van een mix van organische moleculen en anorganische elementen die samen licht omzetten in elektriciteit. “Ze zijn hybride”, zegt Hummelen. “En in die perovskieten zonnecel zit meestal ook een organische laag als geleider. En by the way, daar is PCBM weer heel erg goed in. Is dat niet leuk?”

Maar perovskiet heeft ook nadelen. Het is bijvoorbeeld nogal gevoelig voor vocht, waardoor het rendement in de buitenlucht snel afneemt. Daarnaast bestaat het vaak uit een verbinding van onder meer ammoniak, jood en lood. En dit laatste is zeer giftig. Daarom wordt aan de Rijksuniversiteit Groningen ook geëxperimenteerd met alternatieven voor lood, zoals tin en bismut.

Zonne-energie heeft de toekomst, maar er staan dus nog genoeg uitdagingen voor de deur. Daarover lees je spoedig meer in een aankomend artikel.

Wanneer je je dekbed gewassen hebt, wil je dat het natuurlijk weer lekker dik en luchtig aanvoelt. Maar wanneer je hem gewoon in de droger gooit, kan de vulling gaan klonteren, zodat er dunne stukken en dikke stukken ontstaan. Dat slaapt niet echt lekker. Om dat te voorkomen, gooien veel mensen er een paar tennisballen bij. Helpt dat echt?

Wat tennisballen in de droger doen

Tijdens het drogen raken de tennisballen telkens het dekbed. Dat helpt vooral bij dons en veren. Als die nat zijn, blijven ze aan elkaar plakken en zakt de vulling in. Door de constante beweging vallen die samengepakte delen weer uiteen, waardoor de vulling zich opnieuw verspreidt. Zo kan de warme lucht overal beter bij en droogt het dekbed gelijkmatiger. De droogtijd wordt er niet korter van, maar het dekbed komt wel duidelijk voller uit de droger.

Hoeveel tennisballen zijn genoeg?

Met één tennisbal in de wasdroger merk je vaak weinig, zeker bij een groot dekbed. Die verdwijnt al snel in de stof en heeft dan weinig effect. Met twee tot vier ballen werkt het beter, omdat ze het dekbed op meerdere plekken tegelijk in beweging houden. Zolang de ballen vrij kunnen bewegen en niet vast blijven zitten in de vulling, doen ze hun werk.

Kun je elke tennisbal gebruiken bij het drogen van een dekbed in de droger?

iet elke tennisbal is even geschikt. Vooral nieuwe of felgekleurde ballen kunnen bij hogere temperaturen kleur afgeven en kleine pluisjes verliezen van de vilten buitenlaag. Dat komt niet vaak voor, maar het risico is wel aanwezig. Gebruik je oudere tennisballen, dan is de kans hierop kleiner. Wil je dat verder beperken, dan kun je de ballen in een oude witte sok stoppen en die dichtknopen. Het effect blijft grotendeels hetzelfde, al is het iets minder uitgesproken dan met losse ballen.

Geef het dekbed genoeg ruimte in de droger

Tennisballen helpen alleen als het dekbed voldoende ruimte heeft om te bewegen. Is de trommel te vol, dan draait alles als één geheel rond en gebeurt er weinig. Wil je grote tweepersoonsdekbedden drogen, dan heb je een droger met een ruime trommel nodig. Heb je die niet zelf? Kijk dan of er een wasserette bij je in de buurt is. Meer ruimte zorgt voor meer beweging en daarmee voor een beter eindresultaat.

Niet elk dekbed kan in de droger

Tennisballen hebben vooral effect bij dons- en verendekbedden. Bij synthetische vulling is dat verschil kleiner en kan de constante beweging van de ballen de vulling na verloop van tijd zelfs vervormen. Wol, zijde en andere natuurlijke materialen mogen meestal helemaal niet in de droger. Check daarom altijd eerst het waslabel voordat je het dekbed in de trommel legt.

Even tussendoor opschudden helpt

Haal het dekbed halverwege het programma even uit de droger en schud het los, alsof je het bed opmaakt. Leg het daarna omgedraaid terug in de trommel. Zo verdeelt de vulling zich opnieuw en kan het dekbed gelijkmatiger drogen.

Wat kun je van het eindresultaat verwachten?

Tennis- of drogerballen zijn vooral een hulpmiddel, geen vervanging voor de juiste drooginstellingen. Droog het dekbed niet te vaak of te heet: kies een lage of middelhoge temperatuur en selecteer een speciaal dons- of beddengoedprogramma als dat op je droger zit. Zorg ook voor voldoende ruimte in de trommel. Als je dan ook nog eens ballen laat meedraaien, heb je er alles aan gedaan om te zorgen dat je dekbed weer lekker vol uit de droger komt!

Waarom start een computer met een SSD binnen enkele seconden op, terwijl een oude harde schijf blijft ratelen? Het vervangen van een HDD door een SSD is de beste upgrade voor een trage laptop of pc. We leggen in dit artikel uit waar die enorme snelheidswinst vandaan komt en wat het fundamentele verschil is tussen deze twee opslagtechnieken.

Iedereen die zijn computer of laptop een tweede leven wil geven, krijgt vaak hetzelfde advies: vervang de oude harde schijf door een SSD. De snelheidswinst is direct merkbaar bij het opstarten en het openen van programma's. Maar waar komt dat enorme verschil in prestaties vandaan? Het antwoord ligt in de fundamentele technologie die schuilgaat onder de behuizing van deze opslagmedia.

De vertraging van mechanische onderdelen

Om te begrijpen waarom een Solid State Drive (SSD) zo snel is, moeten we eerst kijken naar de beperkingen van de traditionele harde schijf (HDD). Een HDD werkt met magnetische roterende platen. Dat kun je vergelijken met een geavanceerde platenspeler. Wanneer je een bestand opent, moet een fysieke lees- en schrijfkop zich naar de juiste plek op de draaiende schijf verplaatsen om de data op te halen. Dat fysieke proces kost tijd, wat we latentie noemen. Hoe meer de data op de schijf verspreid staat, hoe vaker de kop heen en weer moet bewegen en wachten tot de juiste sector onder de naald doordraait. Dit mechanische aspect is de grootste vertragende factor in traditionele opslag.

©Claudio Divizia

Flashgeheugen en directe gegevensoverdracht

Een SSD rekent definitief af met deze wachttijden omdat er geen bewegende onderdelen in de behuizing zitten. De naam 'Solid State' verwijst hier ook naar; het is een vast medium zonder rammelende componenten. In plaats van magnetische platen gebruikt een SSD zogenoemd NAND-flashgeheugen. Dat is vergelijkbaar met de technologie in een usb-stick, maar dan veel sneller en betrouwbaarder. Omdat de data op microchips wordt opgeslagen, is de toegang tot bestanden volledig elektronisch. Er hoeft geen schijf op toeren te komen en er hoeft geen arm te bewegen. De controller van de SSD stuurt simpelweg een elektrisch signaal naar het juiste adres op de chip en de data is direct beschikbaar.

Toegangstijd en willekeurige leesacties

Hoewel de maximale doorvoersnelheid van grote bestanden bij een SSD indrukwekkend is, zit de echte winst voor de consument in de toegangstijd. Een besturingssysteem zoals Windows of macOS is constant bezig met het lezen en schrijven van duizenden kleine systeembestandjes. Een harde schijf heeft daar enorm veel moeite mee, omdat de leeskop als een bezetene heen en weer moet schieten. Een SSD kan deze willekeurige lees- en schrijfopdrachten (random read/write) nagenoeg gelijktijdig verwerken met een verwaarloosbare vertraging. Dat is de reden waarom een pc met een SSD binnen enkele seconden opstart, terwijl een computer met een HDD daar soms minuten over doet.

©KanyaphatStudio

Van SATA naar NVMe-snelheden

Tot slot speelt de aansluiting een rol in de snelheidsontwikkeling. De eerste generaties SSD's gebruikten nog de SATA-aansluiting, die oorspronkelijk was ontworpen voor harde schijven. Hoewel dat al een flinke verbetering was, liepen snelle SSD's tegen de grens van deze aansluiting aan. Moderne computers maken daarom gebruik van het NVMe-protocol via een M.2-aansluiting. Deze technologie communiceert rechtstreeks via de snelle PCIe-banen van het moederbord, waardoor de vertragende tussenstappen van de oude SATA-standaard worden overgeslagen. Hierdoor zijn snelheden mogelijk die vele malen hoger liggen dan bij de traditionele harde schijf.