Nieuwe opto-elektronische materialen voor zonnecellen
Voor volledig transparante elektronica en efficiënte zonnecellen zijn nieuwe soorten materialen nodig die wellicht nog niet eens bestaan. Professor Monica Morales-Masis onderzoekt een hele reeks nieuwe opto-elektronische materialen, van anorganische tot hybride organisch-anorganische halfgeleiders.
Het uiteindelijke doel is om materialen te maken voor de energietransitie die efficiënter of goedkoper zijn, of die geproduceerd kunnen worden uit alom aanwezige elementen in plaats van uit schaarse materialen. Als materiaalkundige, werkt Monica Morales-Masis op het snijvlak van natuurkunde, scheikunde en techniek om nieuwe materialen te onderzoeken en ontwikkelen voor opto-elektronica, zoals zonnecellen en touchscreens.
‘We zijn op zoek naar geschikte materialen voor toekomstige zonnecellen,’ zegt ze. Momenteel is er veel belangstelling voor metaal-halide-perovskieten. Dit zijn hybride (organisch-anorganische) halfgeleiders die zeer efficiënt zonlicht kunnen absorberen en omzetten in elektriciteit. Hoewel deze materialen goedkoop en relatief eenvoudig te produceren zijn, kunnen ze instabiel zijn en bevatten ze vaak giftige elementen, zoals lood. Wij ontwikkelen nieuwe manieren om dit soort materialen te laten groeien en hun microstructuur te controleren. Daarnaast onderzoeken we nieuwe samenstellingen van materialen die licht absorberen met voldoende efficiëntie voor gebruik in zonnecellen, maar zonder de nadelen van de huidige materialen.’
Morales-Masis en haar team hebben laten zien dat de pulsed laser deposition methode geschikt is om dunne lagen hybride metaal-halide-perovskieten op te dampen, waardoor het gebruik van giftige oplosmiddelen niet meer nodig is.
Het team onderzoekt ook transparante geleidende materialen waarbij ze zoeken naar een optimale balans tussen hoge transparantie en hoge elektrische geleidbaarheid om ze geschikt te maken als elektroden voor uiteenlopende toepassingen, van touchscreens tot OLED’s of zonnecellen. Om nieuwe combinaties van materialen te ontdekken, scannen de onderzoekers letterlijk grote delen van het periodiek systeem om veelbelovende niet-kritische materialen voor transparante elektroden te vinden. Hoewel voor het scannen van materialen computermodellen kunnen worden gebruikt, is laboratoriumwerk daarnaast essentieel om de gekozen materialen daadwerkelijk te creëren, hun fundamentele eigenschappen te onderzoeken en te onderzoeken hoe ze presteren in een device.
In haar vrije tijd schildert Morales-Masis graag en deze creatieve kant neemt ze regelmatig mee naar haar werk. ‘Omdat we materialen willen creëren die misschien nog niet bestaan, moeten we soms ‘durven’ en iets compleet nieuws proberen,’ zegt de hoogleraar, die erop wijst dat toen ze begon met pulsed laser deposition voor hybride materialen, veel onderzoekers dachten dat dit niet zou werken. ‘Inmiddels hebben we laten zien dat deze techniek efficiënte zonnecellen kan opleveren.’
‘Creatief zijn en out-of-the-box denken moeten echter altijd in balans zijn met gedegen wetenschappelijke kennis en het doel van je onderzoek, in ons geval het verbeteren van de zonnecellen van de toekomst’, zegt Morales-Masis, die onlangs een ERC proof of concept grant kreeg voor het verder onderzoeken van fabricagemethoden voor hybride halide-perovskieten. ‘We gaan onze kennis van pulsed laser deposition van halide-perovskieten gebruiken om een productieproces te ontwikkelen dat aan industriële eisen voldoet,’ zegt ze. ‘Dit is interessant voor perovskiet-silicium tandemzonnecellen en brengt ons dichterbij ons doel om met nieuwe materialen zonnecellen te maken die efficiënter en duurzamer zijn en gemaakt van alom aanwezige grondstoffen.’
Onderwijs
Hoewel ze naar eigen zeggen een veel grotere passie voor onderzoek heeft, geniet Morales-Masis wel van haar onderwijstaken. ‘Ik vind het heel leuk om studenten te begeleiden,’ zegt ze. ‘Momenteel heb ik vijf promovendi waar ik heel trots op ben. Ze maken onze onderzoeksresultaten mogelijk. Ze delen hun eigen ideeën met het team en kunnen hun onderzoek heel goed presenteren, wat ik erg belangrijk vind.’ Haar onderzoeksgroep heeft ruimte voor zowel bachelor- en masterstudenten als voor externe bezoekers uit de hele wereld. Ze doet haar best om de groep echt als een team te laten samenwerken, waarin iedereen gemotiveerd is om de onderzoeksvragen aan te pakken. In haar colleges over materialen in verschillende vakken in de bachelor- en masteropleidingen, kiest Morales-Masis voor eenvoud. ‘Ik probeer altijd vanuit een groter geheel te vertrekken en concepten in eenvoudige woorden uit te leggen. Dat maakt het lesgeven soms tijdrovend, maar ook zeer de moeite waard,’ zegt ze.
Over Monica Morales-Masis
Monica Morales-Masis studeerde natuurkunde in Costa Rica en de Verenigde Staten. Na het behalen van haar masterdiploma aan de Wright State University kwam ze naar Europa. Ze promoveerde op gecondenseerde materie aan de Universiteit van Leiden en werkte in Zwitserland als postdoc en vervolgens teamleider op het gebied van zonneceltechnologie aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne(EPFL). De overstap van gecondenseerde materie naar zonnecellen betekende dat Morales-Masis zich een nieuw vakgebied moest eigen maken, maar dat zag ze niet als een probleem. ‘Als je iets nieuws probeert, kun je zomaar eens je passie vinden,’ zegt ze. In 2018 kreeg Morales-Masis een tenure track aanstelling in Twente, waar ze sinds 2022 hoogleraar Optoelectronic Materials is aan de Faculteit Technische Natuurwetenschappen. Ze ontving in 2019 een Aspasiabeurs van NWO en een ERC Starting Grant en kreeg in 2023 een ERC Proof of Concept subsidie.
Persfoto’s
Deze persfoto’s mogen gebruikt worden onder vermelding van fotograaf Fokke Eenhoorn.