Onderzoekers van onder meer de KU Leuven hebben een manier ontdekt om goed presterende perovskieten te stabiliseren bij kamertemperatuur. Dat zou uiteindelijk kunnen leiden tot een nieuwe generatie zonnepanelen.
Onderzoeker Julian Steele ontdekte met een internationaal team van wetenschappers dat de perovskieten de gewenste zwarte toestand kunnen aannemen als een laag van de kristallen aan een glasplaat wordt gehecht. Dat gebeurt door de perovskieten tot 330 graden Celsius te verhitten; daardoor zetten ze uit en hechten ze zich aan het glas. Na de verhitting worden de kristallen direct afgekoeld tot kamertemperatuur. Deze methode fixeert de atomen in de kristallen, zodat hun beweging wordt beperkt en ze zwart blijven. Die kleur garandeert een optimale absorptie van het zonlicht.
Perovskieten zijn zachte, kneedbare, kunstmatige kristallen die zonlicht in elektriciteit kunnen omzetten. Ze absorberen veel licht, kunnen de elektronen goed transporteren en zijn goedkoop om te maken. Zonnecellen op basis van pure perovskieten zijn veel efficiënter dan siliciumkristallen, maar de meest veelbelovende soort perovskieten, cesiumloodtrijodide, is onstabiel bij kamertemperatuur. Volgens Steele lukt het om het materiaal onder verschillende laboratoriumomstandigheden te stabiliseren, maar normaal gesproken hebben de kristallen de neiging zichzelf te herschikken bij kamertemperatuur. In deze gele fase is de structuur veranderd en zijn de kristallen erg zacht, volgens de onderzoekers vergelijkbaar met een bord jam. Dit bijvoorbeeld in tegenstelling tot siliciumkristallen, die heel sterk zijn.
Er is gekozen voor cesiumloodtrijodide, omdat deze perovskieten erg goed presteren, maar het is ook een van de meest onstabiele perovskieten. "Dat betekent dat de methode die we beschreven hebben, ook zou moeten werken voor andere onstabiele perovskieten", zegt Steele.
Het is al langer bekend dat perovskieten hun zwartheid kunnen handhaven na verhitting, maar ook na de vinding van de Leuvense onderzoekers zijn er nog de nodige vragen. Zo is het nog een raadsel hoe de binding precies gebeurt. "Inzicht in hoe dit mechanisme werkt, is nodig om zonnepanelen te kunnen ontwikkelen die pure perovskietkristallen gebruiken", zegt Steele. Volgens hem bepalen de prijs, stabiliteit en prestaties de kwaliteit van zonnecellen. Hij zegt dat het instapniveau om zonnepanelen met perovskieten te maken relatief laag is, zodat ze onder meer gunstig kunnen zijn voor mensen in ontwikkelingslanden.
Het zal nog wel even duren voordat perovskietzonnecellen commercieel interessant worden. Dat hangt niet alleen samen met de instabiliteit van bijvoorbeeld de cesiumloodtrijodide, maar ook met het feit dat de kristallen relatief snel degraderen. Om dat tegen te gaan hebben onderzoekers van de TU/e in mei een studie gepresenteerd waarin ze voorstellen om een beschermlaagje van fluoride toe te voegen aan het productieproces van perovskiet. In de zonne-energiebranche wordt uitgegaan van een gouden standaard in de vorm van rendementsbehoud van 85 procent na 10 tot 15 jaar. De toevoeging van fluoride is volgens de Eindhovense onderzoekers een stap in de goede richting, maar het rendement van de perovskietcellen komt ook na deze beschermlaag nog lang niet bij deze standaard in de buurt.
Het onderzoek van de KU Leuven is gepresenteerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science, onder de titel Thermal unequilibrium of strained black CsPbI3 thin films.
/i/2002963764.jpeg?f=imagenormal)