Nieuwe mijlpaal voor perovskietzonnecellen: organische bouwstenen verhogen stabiliteit

De onderzoekers van imo-imomec – een gezamenlijk onderzoeksinstituut van UHasselt en imec – zijn er binnen de samenwerking EnergyVille in geslaagd om de organische bouwstenen in de perovskietzonnecellen te integreren.

Silicium vervangen
Perovskiet is een beloftevol materiaal voor dunne, goedkope en zeer efficiënte zonnecellen, maar het is ook heel onstabiel. ‘Met dit onderzoek zetten we een beloftevolle stap om perovskiet breed te kunnen gebruiken in vele toepassingen’, stelt Wouter Van Gompel, postdoctoraal onderzoeker in de onderzoeksgroep Hybrid Materials Design.

In 2009 werd het materiaal perovskiet voor het eerst gebruikt als zonnecel. Toen behaalde het een energieopbrengst van amper 3,9 procent. Enkele jaren later was dat al bijna 26 procent. Daarmee behaalde het materiaal dezelfde efficiëntie als de siliciumzonnecellen voor standaardzonnepanelen. De perovskietzonnecellen zijn echter honderden keren dunner dan siliciumzonnecellen en daardoor goedkoper en duurzamer. Van Gompel: ‘Perovskieten zijn een heel beloftevol materiaal om in de toekomst silicium te vervangen als zonnecel. Alleen is er één groot probleem: perovskietzonnecellen zijn ontzettend onstabiel. Begin je aan een efficiëntie van 26 procent, dan daalt die efficiëntie niet veel later naar 0. Vergelijkbaar met een vliegtuig dat opstijgt en stilaan neerstort als het zijn hoogte heeft bereikt.’

5 maanden stabiel
Perovskieten zijn zouten, bij contact met vocht nemen ze dus water op en vallen ze gemiddeld na 1 tot 3 dagen uit elkaar als men de perovskiet niet inkapselt in een beschermlaag. De onderzoeksgroep Hybrid Materials Design van imo-imomec werkt binnen EnergyVille al jaren aan manieren om perovskieten stabieler te maken, zodat ze effectief breed kunnen ingezet worden als zonnecel of in andere toepassingen zoals led’s, fotodetectoren of transistoren. Ze ontwikkelen hiervoor organische bouwstenen die ze inbouwen in de structuur.

‘Doctoraatsonderzoeker Paul-Henry Denis: ‘Hierdoor creëren we een zogenaamde 2D-perovskiet die zowel vocht als een temperatuur van wel 230 graden Celsius kan weerstaan. Door onze organische bouwstenen toe te voegen aan de perovskiet maken we het materiaal langs binnenuit stabieler. De beste resultaten in ons lab tonen aan dat ons materiaal zelfs onder 77 procent luchtvochtigheid al 5 maanden stabiel is zonder extra bescherming, en dat blijft oplopen.’

Moleculaire structuur
Voordat perovskieten echter breed kunnen worden gebruikt in allerlei toepassingen is er nog veel onderzoek nodig. ‘Onze strategie van het toevoegen van organische bouwblokken is enorm veelzijdig’, aldus Van Gompel. ‘De eigenschappen van de organische bouwblokken die we gebruiken, kunnen nog verder geoptimaliseerd worden door hun moleculaire structuur aan te passen op basis van wat we tot nu toe geleerd hebben. We verwachten dat er op die manier nog winst te boeken valt op het vlak van stabiliteit en efficiëntie.’

De kennis binnen dit onderzoek rond de opbouw van materialen, is ook een van de belangrijke pijlers binnen de nieuwe masteropleiding Materiomics die in september 2022 aan UHasselt zal starten. ‘En er is daarnaast nog heel wat mogelijk om perovskiet beter te maken’, aldus doctoraatsonderzoeker Martijn Mertens. ‘Onze organische bouwstenen verbeteren de interne stabiliteit van het perovskietmateriaal. Nu kan je denken aan externe manieren om de stabiliteit van perovskiet- zonnecellen bijkomend te verbeteren. Bijvoorbeeld door te werken met coatings en beschermlagen aan de buitenkant van het materiaal, waardoor je nog meer en heel specifieke externe stressfactoren kan wegwerken. De toekomst is aan perovskiet, daar zijn wij als onderzoeksgroep van overtuigd.’