TU Eindhoven ontdekt oplossing voor haat-liefdeverhouding perovskiet en zon

Zonnecellen van perovskiet staan al enkele jaren in het middelpunt van veel onderzoek naar zonne-energie. Het materiaal is goedkoop, gemakkelijk te maken en bijna net zo efficiënt als silicium, het materiaal dat van oudsher in zonnecellen wordt gebruikt.

Halide-verbinding
Het zonlicht dat perovskietzonnecellen nodig hebben om elektriciteit op te wekken, doet echter ook afbreuk aan de kwaliteit van de zonnecellen, waardoor hun efficiëntie en stabiliteit in de loop van de tijd sterk teruglopen. Het onderzoek van de universiteiten werpt nu nieuw licht op de oorzaken van deze achteruitgang en effent het pad voor het ontwerpen van nieuwe perovskietverbindingen voor echt stabiele zonnecellen.

Het nieuwe onderzoek richt zich op perovskietzonnecellen gemaakt van formamidinium-cesium-loodjodide, een halide-verbinding die steeds populairder is geworden, omdat het een hoog rendement en een redelijke hittebestendigheid combineert met lage productiekosten.

600 uur blootstelling
Onderzoekers van de TU/e, de Universiteit van Peking en de Universiteit van Californië San Diego hebben zowel praktische experimenten uitgevoerd – het monitoren van de fotovoltaïsche prestaties van de zonnepanelen gedurende 600 uur blootstelling aan zonlicht – als theoretische analyse.

Hieruit concluderen zij dat het zonlicht geladen deeltjes in de zonnecel genereert, die samenkomen waar de zogenaamde ‘verboden zone’ – de minimale hoeveelheid energie die nodig is voor het genereren van de vrije elektronen – het kleinst is, in dit geval het formamidinium-perovskiet. De resulterende energieverschillen zorgen ervoor dat de elementen die eerst nog zo goed samenwerkten om de cel efficiënt te maken, uit elkaar vallen in aparte clusters. Vooral de clusters met veel cesium – de groene stippen in de afbeelding – blijken minder gevoelig te zijn voor fotonen en minder goed stroom te geleiden, wat een negatieve invloed heeft op de prestaties van het apparaat.

Oplossingen
Volgens Shuxia Tao, die samen met promovendus Zehua Chen en haar collega Geert Brocks verantwoordelijk was voor het TU/e-deel van het onderzoek, zijn de nieuwe bevindingen een stap verder op weg naar mogelijke oplossingen. ‘Door praktische experimenten te combineren met microscopische materiaalkarakterisering en modellering op atomaire schaal hebben we de instabiliteit van halide-perovskieten beter kunnen begrijpen. Dit effent het pad voor het ontwerpen van nieuwe perovskiet-samenstellingen voor echt stabiele zonnecellen.’ Als mogelijke oplossingen opperen de onderzoekers het gebruik van additieven om de chemische interactie binnen de materialen in de zonnepanelen te verbeteren; het manipuleren van de bandgap door het gebruik van andere elementen in plaats van jodide en cesium, zoals bromide en rubidium; of het wijzigen van de energieniveaus, zodat de geladen deeltjes beter vrijkomen.

Tao benadrukt dat er meer onderzoek nodig is om te zien welke oplossing het beste werkt. Bovendien is de scheiding van halide-verbindingen niet de enige oorzaak van het uiteenvallen van perovskiet. Deze andere oorzaken vergen een aparte analyse. De resultaten zijn gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Joule.