Nu de energieconversie-efficiëntie van siliciumzonnecellen rond de 25% schommelt, perovskieten zijn nu ideaal geplaatst om de volgende generatie fotovoltaïsche zonne-energie op de markt te worden. Vooral, organisch-anorganische loodhalogenide-perovskieten bieden veelzijdigheid in de productie die zich mogelijk kan vertalen in een veel hogere efficiëntie:studies hebben al fotovoltaïsche prestaties van meer dan 20% aangetoond in verschillende zonnecelarchitecturen die zijn gebouwd met eenvoudige en goedkope processen.

De grootste uitdaging voor het perovskietveld is niet zozeer efficiëntie, maar stabiliteit. In tegenstelling tot siliciumcellen, perovskieten zijn zachte kristallijne materialen en vatbaar voor problemen als gevolg van ontleding in de tijd. In een commerciële context, dit plaatst perovskieten op een hoger prijskaartje dan conventionele siliciumcellen.

Er zijn daarom veel pogingen gedaan om perovskietmaterialen te synthetiseren die in de loop van de tijd een hoog rendement kunnen behouden. Dit wordt gedaan door verschillende kationen (positief geladen ionen) in de kristalstructuur van de perovskiet te brengen. Hoewel succes is gemeld door anorganische kationen zoals cesium of rubidium in de perovskietsamenstelling te mengen, deze oplossingen zijn vaak moeilijk en duur om te implementeren.

In de tussentijd, tot nu toe zijn er geen organische - en gemakkelijker te synthetiseren - kationen gevonden die zowel de efficiëntie als de stabiliteit kunnen verbeteren. Nutsvoorzieningen, het laboratorium van Mohammad Khaja Nazeeruddin bij EPFL Wallis Wallis, met collega's van de Universiteit van Cordoba, heeft ontdekt dat ze de stabiliteit van perovskiet kunnen verbeteren door het introduceren van het grote organische kation guanidinium (CH6N3+) in methylammoniumloodjodideperovskieten, die momenteel tot de meest veelbelovende alternatieven in de groep behoren.

De wetenschappers tonen aan dat het guanidinium-kation in de kristalstructuur van de perovskiet wordt ingevoegd en de algehele thermische en omgevingsstabiliteit van het materiaal verbetert, het overwinnen van wat in het veld bekend staat als de 'Goldschmidt-tolerantiefactorlimiet'. Dit is een indicator van de stabiliteit van een perovskietkristal, die beschrijft hoe compatibel een bepaald ion ermee is. Een ideale Goldschmidt-tolerantiefactor moet kleiner of gelijk zijn aan 1; guanidinium is slechts 1,03.

Uit de studie bleek dat de toevoeging van guanidinium de materiaalstabiliteit van de perovskiet aanzienlijk verbeterde, terwijl het een gemiddelde stroomconversie-efficiëntie van meer dan 19% (19,2 ± 0,4%) opleverde en deze prestatie gedurende 1000 uur stabiliseerde onder continu licht, dat is een standaard laboratoriumtest voor het meten van de efficiëntie van fotovoltaïsche materialen. De wetenschappers schatten dat dit overeenkomt met 1333 dagen (of 3,7 jaar) gebruik in de echte wereld - dit is gebaseerd op standaardcriteria die in het veld worden gebruikt.

Professor Nazeeruddin legt uit:"Als we een standaard versnellingsfactor van 2 nemen voor elke tien graden temperatuurstijging, een versnellingsfactor van 8 wordt geschat voor 55 °C in plaats van 25 °C graden. Vandaar dat het equivalent van 1000 uur bij 55 °C 8000 uur zou zijn. Onze cellen werden onderworpen aan 60°C, daarom zouden de aantallen nog hoger kunnen zijn. Uitgaande van het equivalent van 6 uur volle zon/dag, of 250Wm-2 gemiddelde instraling (equivalent aan Noord-Afrika) het totale aantal dagen is 1333, gelijk aan 44,4 maanden en 3,7 jaar stabiliteit. Echter, voor de standaard accreditatie van zonnecellen zijn ook een reeks stresstests vereist, waaronder temperatuurwisselingen en vochtige hitte."

"Dit is een fundamentele stap binnen het perovskietveld, ", zegt Nazeeruddin. "Het biedt een nieuw paradigma in het ontwerp van perovskiet, aangezien verdere verkenningen buiten de tolerantiefactorlimiet zouden kunnen heersen voor kationische mengsels, terwijl een 3D-structuur met verbeterde stabiliteit behouden blijft door een groter aantal H-bindingen binnen het anorganische raamwerk - een probleem dat we zijn nu bijna opgelost."