Tandpasta uit Eindhoven maakt perovskietzonnecellen sterker

De laatste jaren is perovskiet de rising star in de solar industrie. Het rendement is door al het onderzoek flink gestegen, van minder dan 4 procent in 2009 tot ruim 24 procent op dit moment. Perovskiet is hierdoor inmiddels een aantrekkelijk materiaal voor zonnecellen. Het is goedkoop, gemakkelijk te maken en bijna net zo rendabel als silicium. Maar er zijn ook nadelen: perovskiet degradeert snel, wat nadelig is voor het rendement en de stabiliteit van de zonnecellen. De onderzoekers van de Technische Universiteit in Eindhoven, onderzoeksinstituut DIFFER, de Universiteit Twente en Peking University hebben ontdekt dat door een beschermend laagje van fluoride op het perovskiet aan te brengen, de zonnecellen aanzienlijk stabieler worden. Na 1.000 uur onder extreme testomstandigheden behouden de zonnecellen 90 procent van hun rendement. De uitkomsten zijn verschenen in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Energy.

De onderzoekers hebben nu geëxperimenteerd met een nieuw soort perovskiet, door een kleine hoeveelheid fluoride toe te voegen aan het productieproces. Net zoals bij fluoride in tandpasta, vormen de fluoride-ionen een beschermend laagje rond het kristal, waardoor zich geen schadelijke fouten kunnen verspreiden in het materiaal.

'Ons werk heeft de stabiliteit van de perovskietcellen aanzienlijk verbeterd', zegt Shuxia Tao, onderzoeksleider bij het Center for Computational Energy Research, een samenwerkingsverband van de faculteit Technische Natuurkunde van de TU Eindhoven en DIFFER. 'Onze zonnecellen behouden 90 procent van hun rendement na 1.000 uur onder extreme licht- en hittecondities. Dat is vele keren langer dan traditionele perovskietverbindingen. We hebben bovendien een rendement behaald van 21,3 procent. Dat is een prima startpunt voor verdere verbeteringen.'

Veel werk van het team in Eindhoven is gaan zitten in het verklaren waarom fluoride zo goed werkt vergeleken met andere halogenen. Ze concluderen, op basis van computersimulaties, dat een deel van het succes is terug te voeren op de geringe afmetingen en hoge elektronegativiteit van fluoride-ionen. Hoe hoger de elektronegativiteit van een element, des te gemakkelijker trekt het elektronen aan van naburige elementen. De fluoride-ionen kunnen hierdoor een sterke binding aangaan met andere elementen in de perovskietverbinding, en vormen zo een stabiele beschermende laag.

De studie wordt gezien als een belangrijke stap op weg naar de succesvolle toepassing van perovskietzonnecellen in de toekomst. Maar er is nog veel werk te doen. De gouden standaard in de zonne-energie-industrie gaat uit van een rendementbehoud van ten minste 85 procent na 10 à 15 jaar, en daar voldoen de perovskietcellen nog niet aan. 'We verwachten dat het nog 10 tot 15 jaar zal duren, voordat deze zonnecellen ook commercieel interessant worden. Niet alleen moeten we het rendement en de stabiliteit nog verder verbeteren, we willen ook een beter theoretisch begrip verkrijgen van de manier waarop deze mechanismen werken op atomaire schaal. We weten nog steeds niet precies waarom sommige materialen beter werken dan andere in het vergroten van de stabiliteit op lange termijn', aldus Tao.