Ingenieur Stefaan De Wolf: ‘Elektriciteit moet zo goedkoop mogelijk worden’

De Vlaamse ingenieur Stefaan De Wolf werkt vanuit Saudi-Arabië aan performantere zonnecellen. ‘De huidige cellen botsen op hun limieten. We moeten dringend naar een nieuw systeem.’

Er is waarschijnlijk geen enkele Vlaming die vaker opduikt in de twee beste wetenschappelijke vakbladen ter wereld – Nature en Science – dan ingenieur Stefaan De Wolf. Met grote regelmaat publiceert zijn team nieuwe bevindingen aangaande de ontwikkeling van een nieuw type zonnecel. Hij opereert vanuit de King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabië, hét land bij uitstek van de winning van fossiele brandstoffen.

Hoe kwam u daar terecht?

Stefaan De Wolf: Ik ben vanaf het begin van mijn loopbaan gefascineerd door de mogelijkheden van zonne-energie. Ik had al wat omzwervingen in de sector van zonnecellen achter de rug, in België, Japan en Zwitserland, toen ik gevraagd werd om in Saudi-Arabië te spreken op een internationaal seminarie georganiseerd door KAUST. Aanvankelijk dacht ik dat het een organisatie voor financiering van wetenschappelijk onderzoek was, maar het bleek te gaan om een van de best uitgeruste en gefinancierde universiteiten ter wereld. Ik heb elders nooit zulke gesofisticeerde onderzoekslaboratoria gezien. Omdat fundamenteel onderzoek naar zonnecellen niet goedkoop is, heb ik niet lang hoeven na te denken toen ze me vroegen om er een zonnecellaboratorium uit de grond te stampen. Onze publicaties illustreren dat de inspanningen renderen.

Jullie team ziet er heel internationaal uit, maar er zijn weinig Saudi’s bij?

De Wolf: Ik probeer gewoon de beste mensen aan te trekken voor het onderzoek en die komen tegenwoordig vooral uit Azië, met name China, India, Pakistan en sinds kort ook Indonesië. Momenteel ben ik zelfs de enige Europeaan in onze groep.

Wat doen jullie anders dan de anderen?

De Wolf: Wij zetten volop in op een evolutie die in 2012 begon, toen aangetoond werd dat er in plaats van silicium als gangbaar materiaal voor zonnecellen ook met het mineraal perovskiet gewerkt kon worden. Specifiek maken wij tandemstructuren van perovskiet en silicium, waarbij we de voordelen van beide materialen proberen te combineren.

Wereldrecord

Perovskietcellen haalden aanvankelijk wel een heel laag rendement in vergelijking met zonnecellen op basis van puur silicium.

De Wolf: Dat was initieel met silicium ook het geval, hoor. Er is hard gewerkt om het rendement ervan op te drijven. Maar we botsen stilaan tegen de grenzen van wat met silicium mogelijk is. Theoretisch zou je uit silicium een rendement van 33 procent kunnen halen, wat betekent dat een derde van het licht dat op je cel valt in energie wordt omgezet. Maar om allerlei praktische redenen lijkt het onwaarschijnlijk dat we ooit veel hoger dan 27 procent zullen komen. Met onze tandem van perovskiet en silicium haalden we vorig jaar een wereldrecord met een omzetting van 33,7 procent van het invallende licht in energie. De praktisch haalbare limiet van ons systeem lijkt rond 40 procent te liggen.

Een Chinees bedrijf heeft jullie record ondertussen gebroken.

De Wolf: De Chinese gigant LONGi – het grootste zonnecelbedrijf ter wereld – heeft onlangs inderdaad een rendement van net geen 34 procent bekendgemaakt, mede dankzij de inzet van een van mijn Chinese studenten die er is gaan werken. Dat was even schrikken, maar het is natuurlijk goed dat een technologie zo snel mogelijk evolueert. We zullen ze goed kunnen gebruiken als we de klimaatopwarming onder controle willen brengen.

Hoe komt het dat jullie zo veel in Nature en Science kunnen publiceren?

De Wolf: Naast de kwaliteit van ons werk zal het ongetwijfeld ook te maken hebben met het gevoel van urgentie rond de klimaatopwarming dat in de wetenschappelijke wereld heerst. We moeten zo snel mogelijk naar een maatschappij die volledig op elektriciteit draait en bij voorkeur elektriciteit gewonnen uit hernieuwbare energiebronnen, zoals zon en wind. De baseline is dat elektriciteit zo goedkoop mogelijk moet worden. Het is ook mijn grootste motivatie. Ik probeer altijd op concepten te werken die maakbaar zijn, en die een verschil kunnen maken voor de energietransitie. Bovendien liggen onze perspectieven voor succes op heel korte termijn. We hebben nog vier of vijf jaar nodig om een echt matuur product te maken, zodat het binnen een tiental jaren mainstream op de markt kan komen.

Wat trok u zo aan in perovskiet als mogelijke wissel op de toekomst van zonnecellen?

De Wolf: Er waren twee elementen die mijn aandacht trokken. Ten eerste was er een sterke wetenschappelijke indicatie dat er weinig natuurlijke defecten in het mineraal zitten, wat energieverliezen zou beperken. Het leek er echt op alsof het mineraal op natuurlijke wijze volledig geoptimaliseerd was. Bovendien is het vrij eenvoudig te maken. Je kunt het bijvoorbeeld als een soort inkt op een andere laag spuiten.

Hoe komt het dat de tandem een hoger rendement heeft dan puur silicium?

De Wolf: Perovskiet kan andere frequenties uit het lichtspectrum in energie omzetten dan silicium. De combinatie van de twee heeft dus een betere totale conversie. Met onze technologie kun je een cel ook aanpassen aan lokale lichtomstandigheden, die wereldwijd wat kunnen variëren. Als er ergens wat meer blauw licht valt dan elders, kunnen we de samenstelling van ons materiaal zo aanpassen dat we daarop inspelen. Ook dat is een belangrijk voordeel in vergelijking met puur silicium.

Voorlopig zijn jullie zonnepanelen niet veel groter dan een postzegel. Dreigt er geen kink in de kabel te komen als jullie gaan opschalen?

De Wolf: Opschalen is een grote uitdaging in de ontwikkeling van zo’n systeem, maar ik praat veel met industriëlen en ze bezweren me dat opschalen geen enkel probleem is als we een stabiel basismateriaal leveren met een conversievermogen van licht in energie dat voldoende hoog is. Hoe groter je proefpanelen zijn, hoe minder experimenten je kunt doen, en wij willen als universiteit net zo veel mogelijk experimenteren om ons systeem te verbeteren – daarom werken we momenteel met kleine cellen. Het belangrijkste werkpunt, naast uiteraard het verder verhogen van de performantie in energieomzetting, is de levensduur van onze cellen.

Trage degradatie

Die lijkt voor gewone siliciumzonnecellen nogal hoog te liggen. Ze hebben een levensduur van minstens 25 jaar.

De Wolf: Inderdaad, het zal een hele uitdaging zijn om dat te halen. Een belangrijke parameter in de evaluatie van de waarde van zonnecellen is de totale kostprijs van de geproduceerde energie voor de hele levensduur van een cel. Dat drijft vandaag de markt. Commerciële siliciumzonnepanelen hebben na 25 jaar nog altijd 90 procent van hun initiële performantie, wat veel is. Elk jaar degradeert zo’n cel met amper 0,4 procent. Wij zitten met ons materiaal nog aan meer dan 10 procent degradatie per jaar, wat te veel is. We moeten naar minder dan 1 procent. Het is momenteel onze grootste bekommernis, maar we lossen het wel op. Hetzelfde probleem deed zich trouwens ook voor bij de ontwikkeling van de klassieke siliciumcellen.

Hoe gaan jullie dat oplossen voor jullie cellen?

De Wolf: Er zijn verschillende mogelijkheden. De kristalstructuur van perovskiet is een zout, dus mag er echt niks van vocht in komen of de structuur lost op. We werken aan een dunne rubberlaag om het geheel zo volledig mogelijk af te schermen van de omgeving. Er zijn ook nog effecten in de kristalstructuur die we beter moeten begrijpen om er maximaal op in te kunnen spelen. Maar we maken ons geen zorgen. Alles wat we tot dusver aan problemen hebben zien opduiken, was en is engineerable: we lossen het op.

Sommige analisten menen dat een levensduur van 15 jaar in plaats van 25 beter zou zijn, omdat je cellen dan sneller kunt vervangen door betere performers?

De Wolf: Ik geloof daar niet in. Ik denk niet dat het wenselijk is dat je op grote schaal zonnepanelen gaat vervangen die nog nuttig kunnen zijn, hoewel ze misschien wat ouderwets zijn geworden. Zonnecellen leveren hernieuwbare energie, maar het product zelf moet ook zo hernieuwbaar mogelijk zijn, en zo duurzaam mogelijk worden ingezet. Wij willen absoluut vermijden dat we iets op de markt brengen dat na een aantal jaren al minder goed werkt. Zo zit onze wereld niet in elkaar.

Is de lage kostprijs van de huidige zonnecellen geen obstakel voor nieuwe evoluties?

De Wolf: De prijs heeft altijd geschommeld, met hoogtes en laagtes, hoewel China de laatste tijd veel capaciteit voor zonnecelproductie heeft bijgebouwd. Ik juich dat toe, want de transitie naar hernieuwbare energie moet zo snel mogelijk gebeuren. We weten dat we daarvoor tegen 2050 wereldwijd voor zo’n 75 terawatt aan zonnepanelen geïnstalleerd moeten hebben. Zonder de Chinezen zouden we daar niet eens van kunnen dromen.

De Chinezen domineren de zonnecelmarkt?

De Wolf: Europa is op pijnlijke wijze de boot aan het missen. Europese zonnepaneelbedrijven wijken nu zelfs uit naar de Verenigde Staten, omdat ze daar betere werkingsvoorwaarden krijgen in het kader van president Joe Bidens Inflation Reduction Act, die investeringen in duurzaamheid stimuleert. Ik wil het niet te veel over politiek hebben, maar Europese politici zouden beter wat minder praten en wat meer slagkracht vertonen, ook financiële.

Bent u niet bang dat zonne-energie op termijn vooral uit bouwmaterialen als glas en verf gewonnen zal worden? Dat huizen hun energie zelf gaan opwekken zonder dat er panelen op gelegd hoeven te worden?

De Wolf: Ik geloof daar niet echt in. De technologie die we nodig hebben om de energietransitie te realiseren, is er. We moeten ze alleen zo efficiënt mogelijk maken, al was het maar om zo weinig mogelijk panelen te moeten installeren. Hoe minder zonnepanelen je nodig hebt, hoe minder je er achteraf moet recycleren. Puur silicium voor zonnecellen botst nu op zijn limieten, een tandem met perovskiet is een logische progressie.

U werkt vanuit Saudi-Arabië, het mekka van de fossielebrandstofindustrie. Is het niet vreemd dat net daar zwaar in hernieuwbare energie geïnvesteerd wordt?

De Wolf: Men beseft hier heel hard dat er iets aan de economie moet veranderen. De kroonprins is echt bezig om de maatschappij meer op hernieuwbaarheid te laten draaien, en het is veel meer dan louter het debiteren van wat loze woorden. Er wordt zwaar geïnvesteerd in enorme zonnepanelen- en windmolenparken, grotendeels met Chinese technologie, want er wordt hier weinig zelf geproduceerd. Het land heeft twee keer meer zon dan Europa, dus zou het gek zijn om niet in zonne-energie te investeren. We mogen ook niet vergeten dat er altijd fossiele grondstoffen, zoals olie en gas, nodig zullen zijn, maar niet als brandstof, wel voor de productie van bijvoorbeeld synthetische vezels.

Hoe is het leven daar voor u?

De Wolf: De universiteit is een stadje op zich, heel multicultureel. Het zou overal ter wereld kunnen zijn. Het is natuurlijk weinig representatief voor wat er buiten de muren ligt. Saudi-Arabië is momenteel wel een van de meest dynamische landen ter wereld. Het is ongelofelijk hoe snel de dingen hier veranderen.

Bent u al naar Europese stervoetballers, zoals Cristiano Ronaldo, gaan kijken?

De Wolf: Nee, sorry, dat is echt mijn ding niet.