Wetenschappers verhogen de stabiliteit en efficiëntie van de volgende generatie zonnetechnologie

- Jul 29, 2020-

Bron: oist.jp


20200714-diagram-perovskite-structure


Onderzoekers van het Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben zonnepanelen van de volgende generatie gemaakt met een hoog rendement en een goede stabiliteit. Deze zonnepanelen zijn gemaakt van een soort materiaal dat perovskieten wordt genoemd en kunnen meer dan 2000 uur hoge prestaties leveren. Hun bevindingen, gerapporteerd op 20 juli 2020 in het toonaangevende tijdschrift Nature Energy, hebben de vooruitzichten voor commercialisering verhelderd.


Perovskieten hebben het potentieel om een ​​revolutie teweeg te brengen in de zonnetechnologie-industrie. Flexibel en lichtgewicht, ze beloven meer veelzijdigheid dan de zware en stijve op silicium gebaseerde cellen die momenteel de markt domineren. Maar wetenschappers moeten enkele grote hindernissen overwinnen voordat perovskieten op de markt kunnen worden gebracht.


"Er zijn drie voorwaarden waaraan perovskieten moeten voldoen: ze moeten goedkoop zijn om te produceren, zeer efficiënt zijn en een lange levensduur hebben", zegt professor Yabing Qi, hoofd van de OISTEenheid Energiematerialen en Surface Sciences, die deze studie leidde.


Een demonstratie van een perovskiet zonnecel


De kosten voor het maken van perovskiet-zonnecellen zijn laag, omdat de goedkope grondstoffen weinig energie nodig hebben om te verwerken. En in iets meer dan een decennium hebben wetenschappers enorme vooruitgang geboekt bij het verbeteren van hoe effectief perovskiet-zonnecellen zonlicht omzetten in elektriciteit, met een efficiëntieniveau dat nu vergelijkbaar is met dat van op silicium gebaseerde cellen.


Echter, eenmaal opgeschaald van kleine zonnecellen naar grotere zonnepanelen, keldert het rendement van perovskieten. Dit is problematisch omdat commerciële zonnetechnologie efficiënt moet blijven op het formaat van zonnepanelen, enkele meters lang.


“Opschalen is erg veeleisend; eventuele defecten in het materiaal worden duidelijker, dus je hebt materialen van hoge kwaliteit en betere fabricagetechnieken nodig, ”legt Dr. Luis Ono, mede-auteur van deze studie, uit.


20200714-perovskite-solar-cells-and-modules 8


(Links) De OIST Energy Materials and Surface Sciences Unit werkt met zonnecellen en modules van verschillende grootte. (Rechts) In deze studie werkten de wetenschappers met zonnepanelen van 5 cm x 5 cm.


De instabiliteit van perovskieten is een ander belangrijk onderwerp dat intensief wordt onderzocht. Commerciële zonnecellen moeten bestand zijn tegen jarenlang gebruik, maar momenteel worden perovskiet-zonnecellen snel afgebroken.


De lagen opbouwen

Het team van professor Qi, ondersteund door het Proof-of-Concept-programma van het OIST Technology Development and Innovation Center, behandelde deze stabiliteits- en efficiëntieproblemen met een nieuwe aanpak. Perovskite-zonneapparaten bestaan ​​uit meerdere lagen - elk met een specifieke functie. In plaats van zich te concentreren op slechts één laag, keken ze naar de algehele prestaties van het apparaat en hoe de lagen met elkaar omgaan.


De actieve perovskietlaag, die zonlicht absorbeert, ligt in het midden van het apparaat, ingeklemd tussen de andere lagen. Wanneer fotonen van licht de perovskietlaag raken, gebruiken negatief geladen elektronen deze energie en "springen" ze naar een hoger energieniveau, waarbij ze positief geladen "gaten" achterlaten waar de elektronen vroeger waren. Deze ladingen worden vervolgens in tegengestelde richtingen omgeleid naar elektronen- en gatentransportlagen boven en onder de actieve laag. Dit zorgt voor een stroom van lading - of elektriciteit - die het zonneapparaat via elektroden kan verlaten. Het apparaat is ook ingekapseld door een beschermende laag die de afbraak vermindert en voorkomt dat giftige chemicaliën in het milieu lekken.


Perovskiet zonnecellen en modules bestaan ​​uit vele lagen, die elk een specifieke functie hebben. De wetenschappers hebben de oranje gemarkeerde lagen toegevoegd of gewijzigd.


In het onderzoek werkten de wetenschappers met zonnepanelen van 22,4 cm2.


De wetenschappers verbeterden eerst de interface tussen de perovskiet-actieve laag en de elektronentransportlaag door een chemische stof genaamd EDTAK tussen de twee lagen toe te voegen. Ze ontdekten dat EDTAK voorkwam dat de transportlaag van tinoxide-elektronen reageerde met de actieve laag perovskiet, waardoor de stabiliteit van de zonnemodule werd vergroot.


De EDTAK verbeterde ook de efficiëntie van de perovskiet-zonnemodule op twee verschillende manieren. Ten eerste ging kalium in de EDTAK in de actieve perovskietlaag en "genas" kleine defecten op het perovskietoppervlak. Hierdoor konden deze defecten de bewegende elektronen en gaten niet vangen, waardoor er meer elektriciteit kon worden opgewekt. De EDTAK verbeterde ook de prestaties door de geleidende eigenschappen van de tinoxide-elektrontransportlaag te verbeteren, waardoor het gemakkelijker werd om elektronen uit de perovskietlaag te verzamelen.


De wetenschappers hebben vergelijkbare verbeteringen aangebracht aan het grensvlak tussen de actieve laag perovskiet en de laag voor gattransport. Deze keer voegden ze een soort perovskiet genaamd EAMA toe tussen de lagen, wat de mogelijkheid voor de gatentransportlaag om gaten op te nemen verbeterde.


Het met EAMA behandelde apparaat vertoonde ook een betere stabiliteit bij vocht- en temperatuurproeven. Dit kwam door de interactie van de EAMA met het oppervlak van de perovskiet-actieve laag, een mozaïek van kristalkorrels. In zonneapparaten zonder EAMA zagen de wetenschappers dat er scheuren ontstonden op het oppervlak van de actieve laag, die ontstonden uit de grenzen tussen deze korrels. Toen de wetenschappers EAMA toevoegden, merkten ze op dat het extra perovskietmateriaal de korrelgrenzen vulde en het binnendringen van vocht tegenhield, waardoor deze scheuren werden voorkomen.


Het team heeft ook de gatentransportlaag zelf aangepast door een kleine hoeveelheid polymeer genaamd PH3T te mengen. Dit polymeer verhoogde de vochtbestendigheid door de laag waterafstotende eigenschappen te geven.


Het polymeer loste ook een groot probleem op dat eerder verbeteringen in de stabiliteit op lange termijn in de weg stond. De elektrode bovenop de perovskiet zonnemodule is gevormd uit dunne stroken goud. Maar na verloop van tijd migreren kleine gouddeeltjes van de elektrode via de gatentransportlaag naar de actieve perovskietlaag. Dit beïnvloedt de prestaties van het apparaat onherroepelijk.


Toen de onderzoekers PH3T gebruikten, ontdekten ze dat de gouddeeltjes langzamer in het apparaat migreerden, wat de levensduur van de module aanzienlijk verlengde.


Voor hun uiteindelijke verbetering hebben de wetenschappers naast glas een dunne laag van het polymeer, paryleen, toegevoegd om de zonnemodule een beschermende coating te geven. Met deze extra bescherming behielden de zonnepanelen ongeveer 86% van hun initiële prestaties, zelfs na 2000 uur constante verlichting.


In samenwerking met Dr. Said Kazaoui van het National Institute of Advanced Industrial Science and Technology (AIST), testte het OIST-team de verbeterde zonnepanelen en behaalde een efficiëntie van 16,6% - een zeer hoog rendement voor een zonnemodule van die omvang. De onderzoekers streven er nu naar om deze aanpassingen uit te voeren op grotere zonnepanelen, waarmee ze de weg wijzen naar de ontwikkeling van grootschalige, commerciële zonnetechnologie in de toekomst.


20200714-scientists-energy-materials-surface-sciences-unit

Van links naar rechts: Prof. Yabing Qi, Dr. Zonghao Liu, Dr. Luis K. Ono,Dr. Dae-Yong Son, Dr. Sisi He en Dr. Longbin Qiu.