Een route uitstippelen naar goedkopere flexibele zonnecellen

- Feb 25, 2019-

Bron: sciencedaily


perovskite solar cells 1

Een onderzoeker van Georgia Tech heeft een op perovskiet gebaseerde zonnecel, die flexibel en lichter is dan op silicium gebaseerde versies.

Krediet: Rob Felt, Georgia Tech


Er is veel te leuk aan perovskiet-gebaseerde zonnecellen. Ze zijn eenvoudig en goedkoop te produceren, bieden flexibiliteit die een breed scala aan installatiemethoden en plaatsen kan ontsluiten, en hebben de afgelopen jaren een energie-efficiëntie bereikt die die van traditionele op silicium gebaseerde cellen benadert.

Maar uitzoeken hoe perovskiet-gebaseerde energie-apparaten die langer dan een paar maanden duren, is een uitdaging geweest.

Nu hebben onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, de University of California San Diego en het Massachusetts Institute of Technology nieuwe bevindingen gerapporteerd over perovskiet-zonnecellen die de weg kunnen banen naar apparaten die beter presteren.

"Perovskite-zonnecellen bieden veel potentiële voordelen, omdat ze extreem licht van gewicht zijn en gemaakt kunnen worden met flexibele kunststofsubstraten", zegt Juan-Pablo Correa-Baena, assistent-professor van de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Om op de markt te kunnen concurreren met silicium gebaseerde zonnecellen, moeten ze echter efficiënter zijn."

In een onderzoek dat op 8 februari in het tijdschrift Science werd gepubliceerd en werd gesponsord door de US Department Energy en de National Science Foundation, beschreven de onderzoekers in meer detail de mechanismen van hoe het toevoegen van alkalimetaal aan de traditionele perovskieten tot betere prestaties leidt.

"Perovskites kunnen het spel op zonne-energie echt veranderen," zei David Fenning, een professor in nanotechnologie aan de Universiteit van Californië in San Diego. "Ze hebben de potentie om de kosten te verlagen zonder de prestaties op te geven, maar er is nog veel te leren over deze materialen."

Om perovskietkristallen te begrijpen, is het nuttig om de kristallijne structuur als een triade te beschouwen. Een deel van de triade wordt meestal gevormd door de elementlead. De tweede is meestal opgebouwd uit een organische component zoals methylammonium en de derde bestaat vaak uit andere halogeniden zoals broom en jodium.

In de afgelopen jaren hebben onderzoekers zich gericht op het testen van verschillende recepten om betere efficiëntie te bereiken, zoals het toevoegen van jodium en broom aan de hoofdcomponent van de structuur. Later probeerden ze cesium en rubidium te vervangen door het deel van de perovskiet dat doorgaans wordt ingenomen door organische moleculen.

"We wisten van eerder werk dat het toevoegen van cesium en rubidium aan een gemengd broom- en jodiumlood perovskiet leidt tot een betere stabiliteit en hogere prestaties," zei Correa-Baena.

Maar er was weinig bekend over waarom het toevoegen van die alkalimetalen de prestaties van de perovskieten verbeterde.

Om precies te begrijpen waarom dat leek te werken, gebruikten de onderzoekers röntgenfoto's met hoge intensiteit om de perovskieten op nanoschaal te onderzoeken.

"Door te kijken naar de compositie binnen het perovskietmateriaal, kunnen we zien hoe elk individueel element een rol speelt bij het verbeteren van de prestaties van het apparaat," zei Yanqi (Grace) Luo, een nanotechnologie-promovendus aan UC San Diego.

Ze ontdekten dat wanneer het cesium en rubidium werden toegevoegd aan de gemengde broom- en jodiumlood perovskiet, het broom en jodium meer homogeen met elkaar vermengden, resulterend in een tot 2% hogere conversie-efficiëntie dan de materialen zonder deze additieven.

"We hebben geconstateerd dat uniformiteit in de chemie en structuur een perovskiet-zonnecel helpt te werken op het maximale potentieel," zei Fenning. "Elke heterogeniteit in die backbone is als een zwakke schakel in de keten."

Toch merkten de onderzoekers ook op dat terwijl het toevoegen van rubidium of cesium ervoor zorgde dat het broom en jodium homogener werden, de halogenidemetalen zelf binnen hun eigen kation redelijk geclusterd bleven, waardoor inactieve "dode zones" in de zonnecel werden gecreëerd die geen stroom produceren.

"Dit was verrassend," zei Fenning. "Het hebben van deze dode zones zou typisch een zonnecel doden, in andere materialen gedragen ze zich als zwarte gaten die elektronen uit andere regio's aanzuigen en ze nooit laten gaan, waardoor je stroom en spanning verliest.

"Maar in deze perovskieten zagen we dat de dode zones rond rubidium en cesium niet te schadelijk waren voor de prestaties van zonnecellen, hoewel er een aantal actuele verliezen waren," zei Fenning. "Dit laat zien hoe robuust deze materialen zijn, maar ook dat er nog meer mogelijkheden voor verbetering zijn."

De bevindingen dragen bij aan het begrip van hoe de op perovskieten gebaseerde apparaten op nanoschaal werken en de basis kunnen leggen voor toekomstige verbeteringen.

"Deze materialen beloven zeer kostenbesparend en goed presterend te zijn, en dat is ongeveer wat we nodig hebben om ervoor te zorgen dat fotovoltaïsche panelen op grote schaal worden ingezet", aldus Correa-Baena. "We willen proberen om problemen van klimaatverandering te compenseren, dus het idee is om fotovoltaïsche cellen te hebben die zo goedkoop mogelijk zijn."