Nieuwe supergevoelige meettechniek leidt tot betere zonnecel van perovskiet

Van Gorkom ontwikkelde een supergevoelige techniek die defecten in het kristalrooster van perovskiet kan meten. Dat is nodig omdat een betere kwaliteit kristallen perovskietzonnecellen stabieler kan maken.

Tandemzonnecellen
In tandemzonnecellen worden een perovskiet- en siliciumzonnecel op elkaar gestapeld om een hoger rendement te krijgen. Perovskiet kent echter enkele belangrijke nadelen die uitrol op grote schaal nog verhinderen, legt Van Gorkom uit tegenover Cursor. ‘De bindingen tussen de atomen in silliciumkristallen zijn heel stevig, waardoor het materiaal heel stabiel is. Perovskietkristallen bevatten ionen, positieve en negatieve deeltjes, waarvan de bindingen veel dynamischer zijn. Als ze belicht worden, kunnen deze deeltjes gaan bewegen en dat geeft problemen voor de langdurige stabiliteit. Een zonnecel die niet stabiel is onder belichting is natuurlijk niet wenselijk. Onderzoek naar het verbeteren van de stabiliteit van perovskiet is daarom essentieel.’

Van Gorkom nam daarvoor het kristalrooster van perovskiet onder de loep. ‘Je kent die plaatjes van prachtige symmetrische 3D-kristalstructuren, bolletjes en lijntjes die een wiskundig model vormen. Helaas is de praktijk nooit perfect. Een kristalrooster kent altijd defecten. Deeltjes die ontbreken of op een verkeerde plaats in het kristalrooster zitten. In een zonnecel zie je dat terug in het voltageverlies, dat uiteindelijk de efficiëntie omlaaghaalt.’

Computersimulaties
Het meten van defecten in het perovskietkristalrooster is echter niet zo eenvoudig en wordt nu veelal aan de hand van computersimulaties gedaan. Binnen de vakgroep van Van Gorkom, Molecular Materials and Nanosystems, wordt al sinds langere tijd onderzocht hoe er in echte perovskietkristallen gemeten kan worden. Dat kan nu in mini-zonnecellen, met een zeer gevoelige fotostroommeting die Van Gorkom en zijn collega’s ontwikkelden.

In het kort wordt per zonnecel voor iedere golflengte van het licht bekeken welk percentage van de lichtdeeltjes als elektron uit die zonnecel komt. ‘Idealiter zou elk lichtdeeltje dat door de zonnecel wordt geabsorbeerd tot een elektron leiden. Door een indirecte methode kunnen we nu ladingen in aanwezige defecten meten, in de vorm van een minuscuul beetje stroom. En dat kunnen we heel nauwkeurig, zelfs als één op de honderdmiljoen lichtdeeltjes in een elektron wordt omgezet, kunnen we dat zien.’

De grote truc zit hem volgens Van Gorkom juist in de details. ‘We zijn veel tijd kwijt geweest om deze gevoeligheid te bereiken. Het ruisniveau moet zo ver mogelijk naar beneden gedrukt worden, een kabel kan het verschil maken. In onze opstelling – die in een aparte kamer op een extra stabiele plek staat – zitten daarom speciale elektrische componenten. Het is ook niet zomaar na te bouwen, wereldwijd staat er op slechts één andere locatie eenzelfde meetinstrument. We zijn nu in staat heel specialistische metingen uit te voeren, en krijgen ook aanvragen van buitenaf. Doordat we de defecten nu in echt materiaal kunnen laten zien, kunnen we heel gericht gaan kijken welke componenten resulteren in een stabieler perovskiet, tot op het kleinste niveau.’