Werken aan perovskiet

Het wondermateriaal voor zonnecellen

Halfgeleiders in zonnecellen

Perovskieten vormen een grote familie van materialen met dezelfde kristalstructuur, namelijk een combinatie van kubussen en achtvlakken. Een voorbeeld is calciumtitaniumoxide (CaTiO₃). Ze werden in 1836 ontdekt en zijn vernoemd naar de Russische mineraloog Lev Perovski. Perovskieten bestaan uit zachte, bijna kneedbare kristallen waarvan er veel verschillende soorten bestaan, opgebouwd uit verschillende mineralen. Ze worden al decennialang onderzocht en er zijn allerlei toepassingen voor gevonden, van supergeleiding tot gebruik in leds en sensoren.

Pas tien jaar geleden viel het onderzoekers op dat je kunstmatige perovskieten kunt maken die geschikt zijn voor gebruik in zonnecellen. Hierbij gaat het om zogeheten halide perovskieten die bestaan uit een combinatie van metaal (meestal lood of tin), halide – zoals bromide, jodide of chloride – en cesium of organische materialen zoals methylammonium of formamidinium. Ze zijn geschikt voor zonnecellen omdat het goede halfgeleiders zijn.

Halfgeleiders zijn materialen waarvan je elektrische eigenschappen, zoals de geleiding, kunt controleren, bijvoorbeeld met licht. In het geval van zonnecellen zorgt zonlicht ervoor dat er een stroom door de halfgeleider kan gaan lopen. Als er geen licht op schijnt, zitten de elektronen in het materiaal vast in de laagste ‘energieband’. Omdat de elektronen vastzitten, kan de halfgeleider dan geen stroom geleiden. Zodra er licht op valt, kunnen elektronen de energie van dat licht absorberen en gebruiken om naar een hogere energieband te springen. Die band bevat bijna geen elektronen, waardoor ze vrijer kunnen bewegen. In de lagere energieband zijn nu ‘gaten’ achtergebleven waar de elektronen eerst zaten. Daardoor is er ook in die band meer bewegingsvrijheid. Dit betekent dat in de hogere band negatief geladen elektronen vrij kunnen bewegen en in de onderste band doen netto ‘positief geladen gaten’ hetzelfde. Door de elektronen en gaten uit elkaar te houden, ontstaat er een spanningsverschil tussen de banden, wat elektriciteit oplevert.

Dit trucje lukt niet met al het licht. Het lichtdeeltje dat door het elektron wordt geabsorbeerd, moet precies de juiste energie hebben om de sprong van de ene naar de andere band te kunnen maken. Hoe groot die energiesprong is, hangt af van de grootte van de zogeheten band gap (ook wel bandkloof of verboden zone) van het materiaal. Het zonlicht dat het aardoppervlak bereikt, bestaat uit lichtdeeltjes met allerlei verschillende energieniveaus; van blauw licht met relatief veel energie (en een korte golflengte) tot infrarode warmtestraling met wat minder energie (en een langere golflengte).

De meest efficiënte zonnecellen bestaan uit materiaal met een band gap die overeenkomt met een energieniveau dat veel voorkomt in het zonlichtspectrum. “Materiaal met een grote band gap van bijvoorbeeld 3 elektronvolt (eV) absorbeert UV-licht”, vertelt Loi. “Dat levert een weinig efficiënte zonnecel op, omdat het zonlicht dat het aardoppervlak bereikt nauwelijks UV-licht bevat.” De meest efficiënte zonnecelmaterialen hebben een band gap tussen de 1,0 en 1,5eV. Silicium heeft bijvoorbeeld een gap van 1,1eV. De gap van perovskiet is iets hoger, rond 1,6eV. Doordat er veel verschillende perovskieten zijn, is het mogelijk om de kristallen - en daarmee de band gap - aan te passen en te optimaliseren. De maximale efficiëntie die een zonnecel in theorie kan halen (de zogeheten detailed-balance-limiet of SQ-limiet) ligt rond de 32 procent.

De SQ-limiet van verschillende materialen voor zonnecellen.
Bron: lmpv.amolf.nl/db. Afbeelding afkomstig uit Photovoltaic materials – present efficiencies and future challenges door
A. Polman, M. Knight, E.G. Garnett, B. Ehrler, en W.C. Sinke, Science 352, 307 (2016). DOI: 10.1126/science.aad4424.

Hoe het energiespectrum van het zonlicht er precies uitziet, verschilt per seizoen en is afhankelijk van waar je je op aarde bevindt. Om de efficiëntie van zonnecellen toch met elkaar te kunnen vergelijken, is de standaard AM1.5 opgesteld voor het lichtspectrum. Je kunt je zonnecellen testen met specifieke lampen die precies dat spectrum beslaan.

Perovskiet is dus een van de materialen met band gap om efficiënt elektriciteit op te wekken met zonlicht. Bovendien is het materiaal in staat relatief veel lichtdeeltjes - en dus veel energie - te absorberen. Perovskiet-zonnecellen bestaan pas tien jaar maar gaan nu al richting de bovengrens van de theoretisch maximaal haalbare efficiëntie. Hoe het materiaal aan die fijne eigenschappen komt, is nog niet helemaal duidelijk. “De theorie loopt bij perovskiet-zonnecellen nog een beetje achter de experimenten aan”, vertelt Shuxia Tao, onderzoeker computationele materiaalfysica aan de Technische Universiteit Eindhoven. “Dat komt doordat het materiaal relatief gemakkelijk is te maken in het lab, terwijl het zo nieuw is dat er nog geen goede theoretische modellen zijn voor computersimulaties.”

Links: de ontwikkeling van de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen afgezet tegen die van silicium. Rechts: de opbouw van een perovskiet-zonnecel. Bron: Mike Pols, TU/e.

• Volgende pagina 3. Perovskiet-productie