Zonne-energieonderzoekers van de Oregon State University richten hun wetenschappelijke schijnwerpers op materialen met een kristalstructuur die bijna twee eeuwen geleden is ontdekt.

Niet alle materialen met de structuur, bekend als perovskieten, zijn halfgeleiders. Maar perovskieten op basis van een metaal en een halogeen zijn, en ze hebben een enorm potentieel als fotovoltaïsche cellen die veel goedkoper zouden kunnen zijn om te maken dan de op silicium gebaseerde cellen die sinds de oprichting in de jaren vijftig de markt in handen hebben gehad.

Genoeg potentieel, onderzoekers zeggen, om op een dag misschien een aanzienlijk deel van het aandeel van fossiele brandstoffen in de energiesector te vergroten.

John Labram van het OSU College of Engineering is de corresponderende auteur van twee recente artikelen over perovskietstabiliteit, in Communicatie Fysica en de Journal of Physical Chemistry Letters , en heeft ook bijgedragen aan een paper dat vandaag is gepubliceerd in Wetenschap .

De studie in Wetenschap , onder leiding van onderzoekers van de Universiteit van Oxford, onthulde dat een moleculair additief - een zout op basis van de organische verbinding piperidine - de levensduur van perovskiet-zonnecellen aanzienlijk verbetert.

De bevindingen die in alle drie de artikelen worden geschetst, verdiepen het begrip van een veelbelovende halfgeleider die voortkomt uit een lang geleden ontdekking door een Russische mineraloog. In het Oeralgebergte in 1839, Gustav Rose ontdekte een oxide van calcium en titanium met een intrigerende kristalstructuur en noemde het ter ere van de Russische edelman Lev Perovski.

Perovskiet verwijst nu naar een reeks materialen die het kristalrooster van het origineel delen. De belangstelling voor hen begon in 2009 te versnellen nadat een Japanse wetenschapper, Tsutomu Miyasaka, ontdekte dat sommige perovskieten effectieve lichtabsorbeerders zijn.

"Vanwege hun lage kosten, perovskiet-zonnecellen hebben het potentieel om fossiele brandstoffen te ondermijnen en een revolutie teweeg te brengen in de energiemarkt, Labram zei. "Een slecht begrepen aspect van deze nieuwe klasse materialen, echter, is hun stabiliteit onder constante verlichting, een probleem dat een belemmering vormt voor commercialisering."

In de afgelopen twee jaar, Labram's onderzoeksgroep in de School of Electrical Engineering and Computer Science heeft unieke experimentele apparaten gebouwd om veranderingen in de geleiding van zonnematerialen in de loop van de tijd te bestuderen.

"Samenwerken met de Universiteit van Oxford, we hebben aangetoond dat door licht veroorzaakte instabiliteit gedurende vele uren optreedt, zelfs als er geen elektrisch contact is, " zei hij. "De bevindingen helpen vergelijkbare resultaten te verduidelijken die zijn waargenomen in zonnecellen en vormen de sleutel tot het verbeteren van de stabiliteit en commerciële levensvatbaarheid van perovskiet-zonnecellen."

De efficiëntie van zonnecellen wordt gedefinieerd door het percentage van het vermogen van zonlicht dat een cel raakt en dat wordt omgezet in bruikbare elektrische energie.

Zeven decennia geleden, Bell Labs ontwikkelde de eerste praktische zonnecel. Het had een bescheiden, naar hedendaagse maatstaven, efficiëntie van 6% en was kostbaar om te maken, maar het vond een niche in het aandrijven van de satellieten die tijdens de ontluikende dagen van de ruimtewedloop werden gelanceerd.

Overuren, de productiekosten daalden en de efficiëntie steeg, ook al zijn de meeste cellen niet veel veranderd - ze bestaan ​​nog steeds uit twee lagen bijna puur silicium gedoteerd met een additief. licht absorberen, ze gebruiken de energie ervan om een ​​elektrische stroom te creëren over de kruising tussen hen.

In 2012, een van Labrams medewerkers, Hendrik Snaith van Oxford, maakte de baanbrekende ontdekking dat perovskieten kunnen worden gebruikt als de belangrijkste component in zonnecellen, in plaats van alleen als een sensibilisator. Dit leidde tot een storm van onderzoeksactiviteiten en er werden jaarlijks duizenden wetenschappelijke artikelen over dit onderwerp gepubliceerd. Acht jaar onderzoek later, perovskietcellen kunnen nu met 25% efficiëntie werken, waardoor ze, tenminste in het laboratorium, vergelijkbaar met commerciële siliciumcellen.

Perovskietcellen kunnen goedkoop worden vervaardigd uit algemeen verkrijgbare industriële chemicaliën en metalen en kunnen worden afgedrukt op flexibele films van plastic en in massa geproduceerd. Silicium cellen, omgekeerd, zijn stijf en gemaakt van dun gesneden wafels van bijna puur silicium in een dure, proces op hoge temperatuur.

Een probleem met perovskieten is dat ze enigszins onstabiel zijn als de temperatuur stijgt, en een andere is een kwetsbaarheid voor vocht - een combinatie die de cellen kan doen ontbinden. Dat is een probleem voor een product dat twee of drie decennia in open lucht moet meegaan.

"In het algemeen, om een ​​zonnepaneel in de VS en Europa te kunnen verkopen, is een garantie van 25 jaar vereist, Labram zei. "Wat dat in werkelijkheid betekent, is dat de zonnecel na 25 jaar niet minder dan 80% van zijn oorspronkelijke prestatie moet vertonen. De huidige technologie, silicium, is daar best goed voor. Maar silicium moet duur geproduceerd worden bij temperaturen hoger dan 2, 000 graden Celsius onder gecontroleerde omstandigheden, perfect vormen, defectvrije kristallen, zodat ze goed functioneren."

Perovskieten zijn daarentegen zeer defecttolerant, zei Labram.

"Ze kunnen worden opgelost in een oplosmiddel, vervolgens afgedrukt bij bijna kamertemperatuur, "Hij zei. "Dit betekent dat ze uiteindelijk kunnen worden geproduceerd tegen een fractie van de kosten van silicium, en daarmee fossiele brandstoffen onderbieden. Echter, om dit te laten gebeuren, ze moeten certificeerbaar zijn met een garantie van 25 jaar. Dit vereist dat we de stabiliteit van deze materialen begrijpen en verbeteren."

Een pad naar de markt is een tandemcel gemaakt van zowel silicium als perovskieten die meer van het zonlichtspectrum in energie zouden kunnen veranderen. Laboratoriumtests op tandemcellen hebben een efficiëntie van 28% opgeleverd, en efficiëntieverbeteringen in het midden van de jaren '30 lijken realistisch, zei Labram.

"Tandemcellen kunnen producenten van zonnepanelen in staat stellen een prestatie te leveren die verder gaat dan alles wat silicium alleen zou kunnen bereiken, " zei hij. "De dubbele benadering zou kunnen helpen de barrière voor perovskieten die de markt betreden weg te nemen, op weg naar perovskieten die uiteindelijk als op zichzelf staande cellen fungeren."

Semi-transparant, perovskietfilms kunnen ooit ook op ramen worden gebruikt, of in kassen, een deel van het invallende zonlicht omzetten in elektriciteit en de rest doorlaten.

“Als het om energieopwekking gaat, kosten zijn de belangrijkste factor, "Zei Labram. "Silicium en perovskieten vertonen nu ongeveer dezelfde efficiëntie. Op de lange termijn, echter, perovskiet-zonnecellen kunnen worden gemaakt tegen een fractie van de kosten van siliciumzonnecellen. En hoewel de geschiedenis ons heeft laten zien dat politieke actie tegen klimaatverandering grotendeels ineffectief is, als u elektriciteit kunt opwekken uit hernieuwbare bronnen tegen lagere kosten dan fossiele brandstoffen, het enige wat u hoeft te doen is het product te maken, dan doet de markt de rest."