In Amsterdam is een methode ontwikkeld om biomineralen om te zetten in een perovskiet. Zo kun je een zonnecel maken in de vorm van een zee-egelskelet, claimen Wim Noorduin en collega’s van het FOM-instituut Amolf in Nature Chemistry.

Zulke biomineralen bestaan voornamelijk uit calciumcarbonaat (CaCO₃). Het voor zonnecellen gebruikte perovskiet heet voluit methylammoniumloodhalideperovskiet en is opgebouwd uit methylammoniumionen (CH₃NH₃⁺), die opgesloten zitten in een rooster van positief geladen loodionen (Pb²⁺) en negatief geladen halogeenionen (X^-, waarbij X naar keuze Cl, Br of I is). Om van het een het andere te maken, moet je dus eerst Ca²⁺ vervangen door Pb²⁺ en vervolgens elke CO₃^2- door twee stuks CH₃NH₃X. En dat allemaal zonder dat onderweg de hele kristalstructuur instort.

Dat dit überhaupt kan, heeft alles te maken met het feit dat CaCO₃, PbCO₃ en PbX₂ alledrie orthorombische kristallen kunnen vormen. De metaalionen zitten daarin op dezelfde posities, en vrijwel op dezelfde afstand van elkaar.

Dat neemt niet weg dat het Noorduins promovendi Lukas Helmbrecht en Hans Hendrikse een half jaar kostte eer ze het juiste recept te pakken hadden.

Tijdens de eerste stap wil je Ca²⁺ vervangen door Pb²⁺, maar het moet niet zo zijn dat CaCO₃ in feite oplost en PbCO₃ daarna weer neerslaat. Als dat gebeurt, raak je immers de oorspronkelijke vorm van je object kwijt. Met een vrijwel verzadigde oplossing van loodnitraat blijk je dit voor elkaar te krijgen.

De tweede stap kost meer moeite omdat daarbij de kristalstructuur echt wordt gewijzigd. In eerste instantie lukte dat door het gevormde PbCO₃ zes uur bloot te stellen aan gasvormig CH₃NH₃X bij 120 °C. Maar achteraf blijk je ook een oplossing van dit zout te kunnen gebruiken, bij een iets verlaagde pH om het CO₃^2- wat mobieler te maken, en dan kan het in een minuutje.

Het grote voordeel zou moeten zijn dat je zo perovskietlaagjes kunt maken in elke gewenste vorm. Die zee-egel (Mellita isometra), waarvan overigens alleen de buitenste 100 µm daadwerkelijk wordt geconverteerd, vormt een aardige demonstratie. In de praktijk zul je waarschijnlijk eerder werken met zelf gesynthetiseerde microstructuren, die bijvoorbeeld zonlicht efficiënter invangen dan een vlakke plaat.

Het grootste nadeel van perovskiet, namelijk dat lood eigenlijk te giftig is voor toepassing in een duurzame samenleving, neem je er niet mee weg. Maar wellicht werkt de truc ook met alternatieve metalen.

bron: Amolf