Ik zit in een kleine vergaderzaal bij de Luminescent Materials Research Group van de TU Delft. Op een bureautafel zoemt een computer, waarachter een paar brede ramen uitzicht bieden op een braakliggend landje. Promovendus Michiel de Jong onderbreekt zijn presentatie en overhandigt me een doorzichtig rood plastic plaatje ter grootte van een folder. Hij vertelt er enthousiast bij: “Als je deze luminescente zonne-concentrator zou vergroten en in de ramen zou zetten, kan je zo’n 100 Watt vermogen opwekken. Genoeg om die computer van energie te voorzien.”

Ik ben op de TU Delft om meer te weten te komen over deze zogenoemde stroomramen. In juli 2012 publiceerde de universiteit een onderzoek waarin een student berekende dat stroomramen rendabel genoeg kunnen zijn om ze in gebouwen te plaatsen. De ramen zetten een deel van het invallende licht om in geconcentreerde lichtbundels die naar zonnecellen aan de rand van het raam worden gestuurd. Dit is een stap naar het energieneutraal maken van gebouwen, wat goed past in het Nationaal Plan van de Rijksoverheid.

Tussen een theoretische berekening en een gebouw vol stroomramen (of luminescente zonne-concentratoren, zoals de onderzoekers ze zelf noemen) zitten echter nog jaren onderzoek. De Jong neemt mij op sleeptouw door het lab om me te laten zien hoe ze dit idee bij de TU Delft werkelijkheid willen maken.

Een stroomraam absorbeert een deel van het zonlicht en zendt dit weer uit als licht van één enkele golflengte. Het licht wordt gereflecteerd naar de randen van het raam, waar zonnecellen dit omzetten in elektriciteit.

Eric Verdult, Kennis is Beeld

Het raam van de stadsbus

Om precies te snappen waar het over gaat, moeten we eerst weten hoe zonnecellen werken. Een zonnecel wekt de meeste stroom op wanneer er licht van één enkele kleur, of golflengte, op valt. Welke kleur dit is verschilt per zonnecel.

Zonlicht bestaat niet uit één kleur licht, maar uit alle kleuren van de regenboog. Het stroomraam lost dit op door al die kleuren te absorberen en vervolgens als licht van één enkele kleur uit te zenden, precies die kleur waarvoor de zonnecel is gebouwd. Het raam zendt dat licht als een soort glasvezelkabel naar de kozijnen. Hier zitten de zonnecellen, op een plek waar niemand er last van heeft, en wordt het licht omgezet in elektriciteit.

Bij het horen van deze uitleg dringen zich bij mij gelijk allerlei vragen op, zoals “laat zo’n raam nog wel genoeg licht door?” en “welke kleur heeft het licht dat nog wel door het raam valt?”. Maar de promovendus stelt me gerust. Doordat het stroomraam wat ze aan de TU Delft ontwikkelen een klein beetje van elk kleur licht absorbeert, verandert het zonlicht dat nog wel door de ramen schijnt niet van kleur.

Of het sterk genoeg is? Daarvoor neemt hij me mee naar een lab met een verduisterende raamsticker op de ruiten. De verduistering is vergelijkbaar met dat van een stroomraam. Wanneer hij de lichten in het lab uit doet (het is dan tien uur ’s ochtends) valt het me alles mee. De ramen lijken een beetje op de halfverduisterde ramen van een stadsbus. Je kunt er in elk geval nog prima doorheen kijken.

Oranje poeder

Michiel vertelt me dat het allemaal draait om een absorberend laagje dat op de buitenkant van een stroomraam zit. “Dat laagje is gemaakt van luminescerend materiaal. Dat absorbeert het zonlicht en zendt het weer uit als licht van één andere golflengte.”

Het laagje krijgt deze luminescerende eigenschap doordat er zeldzame aardmetalen, of lanthaniden, in het kristal zijn verwerkt. Welke kristallen en aardmetalen je daar het beste voor kunt gebruiken houdt Michiel nog even geheim. Dat onderzoek is in volle gang.

Hij kan me wel een voorbeeld laten zien van een materiaal dat UV-licht absorbeert. Dit is een calciumsiliciumnitride kristal (Ca₂Si₅N₈) met daarin wat van het aardmetaal europium. Tien procent van het europium zit in het kristal op de plek van de calciumatomen. Dit zorgt voor de luminescerende eigenschap, en zowaar: als Michiel een zakje met poeder van dit materiaal onder een UV-lamp houdt, gloeit het spul oranje op.

Ca₂Si₅N₈ poeder met 10% europium. De bovenste foto is onder gewoon licht genomen, de onderste foto onder UV-licht. Dit poeder absorbeert UV-licht en zendt oranje licht uit.

Zo bouw je dus een stroomraam: maak wat kristalpoeder, meng er een aardmetaal doorheen en plak het op een raam. Maar helaas, zo simpel is het niet.

Een zacht geel licht

De promovendus legt uit dat je bij het bouwen van een stroomraam twee dingen voor elkaar moet zien te krijgen. Allereerst moet het luminescerende materiaal als een egaal, doorzichtig laagje op het glas komen. Je kunt het poeder niet zomaar op het glas plakken, want dan zie je er niks meer doorheen. De techniek die ze op de TU gebruiken om zo’n egaal laagje te krijgen is magnetron sputteren, waarbij de calcium, silicium, stikstof en europium atomen op een gecontroleerde manier op het glas terechtkomen.

Bij magnetron sputteren worden stoffen in de onderste buizen “gelanceerd” richting een substraat (hier een glasplaat) dat op de bovenste schijf gemonteerd zit. De Vanderwaalskrachten zorgen ervoor dat de stoffen op het substraat blijven zitten.

Na het sputteren zitten alle stoffen weliswaar op het glas, maar moet tien procent van het europium nog op de plek van de calciumatomen komen. Dat gebeurt door de glazen plaat in een oven te leggen. Door de warmte krijgt het europium genoeg energie om door het kristal heen te diffunderen en op de juiste plek te komen.

Toevallig is Michiel net klaar met zo’n experiment. Uit de oven komen twee glazen plaatjes. Terwijl Michiel de plaatjes met een grote ovenwant vasthoudt en meeneemt naar het lab met de UV-lamp, vertelt hij dat deze plaatjes verschillende luminescerende materialen bevatten. Hij kreeg het al eerder voor elkaar om deze materialen te laten opgloeien, maar dit is de proef op de som om te zien of hem dit een tweede keer lukt. Mocht dat niet zo zijn, dan staat hem een boel werk te wachten om uit te zoeken waar het mis ging.

De lichten gaan uit, de UV-lamp gaat aan, en ja hoor: één van de plaatjes gloeit met een zacht geel licht, de ander helder blauw. Michiel is nog niet onverdeeld enthousiast, want blijkbaar is er wat zuurstof bij het geelgloeiende materiaal gekomen. Dit maakt het kristal onzuiver en verpest de intensiteit van het uitgezonden licht. Hij heeft hier nog geen verklaring voor, want zowel de magnetron sputteraar als de oven zijn zuurstofvrij. Stof tot nadenken dus.

De glazen plaatjes van promovendus Michiel de Jong. De luminescerende laagjes op het glas gloeien geel en blauw op onder UV-licht.

Gele geluidswal

Zo blijkt er nog veel onderzoek nodig te zijn voordat het productieproces van de stroomramen fabrieksklaar is. En zelfs dan is het nog maar de vraag wat de precieze levensduur van de ramen is en of de aanschafprijs (vooral voor huiseigenaren) niet te hoog is.

Op de vakgroep zijn ze optimistisch. Zelfs als de zonne-concentratoren toch niet geschikt blijken voor huizen en kantoren, ziet onderzoeksleider Erik van der Kolk nog voldoende mogelijkheden. “De concentratoren hoeven natuurlijk niet in ramen. Doe je ze in glazen platen bovenop gebouwen of in lege gebieden, dan zijn esthetische waardes minder belangrijk.” Michiel vult hem aan. “In de glastuinbouw zouden kassen kunnen worden voorzien van stroomramen. Of langs de snelweg. Michael Debije van de TU Eindhoven kwam met het idee om stroomramen te zetten in de gele glazen geluidswal langs de A2 ter hoogte van Den Bosch. Het zou een ideale plek zijn.”

Zie ook

• Interview over stroomramen (BNR)
• Presentatie TU Eindhoven onderzoeker Michael Debije over stroomramen (Engels)
• De toekomst op licht (Wetenschap24)