Een eenvoudige kaliumoplossing kan de efficiëntie van zonnecellen van de volgende generatie verhogen, door ze in staat te stellen meer zonlicht om te zetten in elektriciteit.

Een internationaal team van onderzoekers onder leiding van de Universiteit van Cambridge ontdekte dat de toevoeging van kaliumjodide de defecten en geïmmobiliseerde ionenbeweging 'geneest', die tot op heden de efficiëntie van goedkope perovskiet-zonnecellen hebben beperkt. Deze zonnecellen van de volgende generatie kunnen worden gebruikt als een efficiëntieverhogende laag bovenop bestaande op silicium gebaseerde zonnecellen. of worden gemaakt in stand-alone zonnecellen of gekleurde LED's. De resultaten worden gerapporteerd in het tijdschrift Natuur .

De zonnecellen in het onderzoek zijn gebaseerd op metaalhalogenide-perovskieten - een veelbelovende groep ionische halfgeleidermaterialen die in slechts een paar jaar van ontwikkeling nu concurreren met commerciële dunne-film fotovoltaïsche technologieën in termen van hun efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit. Perovskieten zijn goedkoop en gemakkelijk te produceren bij lage temperaturen, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor de volgende generatie zonnecellen en verlichting.

Ondanks het potentieel van perovskieten, sommige beperkingen hebben hun efficiëntie en consistentie belemmerd. Kleine defecten in de kristallijne structuur van perovskieten, vallen genoemd, kunnen ervoor zorgen dat elektronen 'vast komen te zitten' voordat hun energie kan worden benut. Hoe gemakkelijker elektronen kunnen bewegen in een zonnecelmateriaal, hoe efficiënter dat materiaal zal zijn bij het omzetten van fotonen, deeltjes van licht, in elektriciteit. Een ander probleem is dat ionen zich in de zonnecel kunnen verplaatsen wanneer ze worden verlicht, wat een verandering in de bandgap kan veroorzaken - de kleur van het licht dat het materiaal absorbeert.

"Tot dusver, we hebben deze materialen niet stabiel kunnen maken met de bandgap die we nodig hebben, dus we hebben geprobeerd de ionenbeweging te immobiliseren door de chemische samenstelling van de perovskietlagen aan te passen, " zei Dr. Sam Stranks van Cambridge's Cavendish Laboratory, die het onderzoek leidde. "Hierdoor zouden perovskieten kunnen worden gebruikt als veelzijdige zonnecellen of als gekleurde LED's, die in wezen zonnecellen zijn die in omgekeerde richting lopen."

In de studie, de onderzoekers veranderden de chemische samenstelling van de perovskietlagen door kaliumjodide toe te voegen aan perovskietinkten, die vervolgens zelf assembleren tot dunne films. De techniek is compatibel met roll-to-roll processen, wat betekent dat het schaalbaar en goedkoop is. Het kaliumjodide vormde een 'decoratieve' laag bovenop de perovskiet die het effect had de vallen te 'genezen' zodat de elektronen vrijer konden bewegen, evenals het immobiliseren van de ionenbeweging, wat het materiaal stabieler maakt bij de gewenste bandgap.

De onderzoekers toonden veelbelovende prestaties met de perovskietbandgaps die ideaal zijn voor gelaagdheid bovenop een siliciumzonnecel of met een andere perovskietlaag - zogenaamde tandemzonnecellen. Silicium tandem zonnecellen zijn de meest waarschijnlijke eerste wijdverbreide toepassing van perovskieten. Door een perovskietlaag toe te voegen, licht kan efficiënter worden geoogst uit een groter bereik van het zonnespectrum.

"Kalium stabiliseert de perovskietbandgaps die we willen voor tandemzonnecellen en maakt ze meer lichtgevend, wat betekent efficiëntere zonnecellen, zei Stranks, wiens onderzoek wordt gefinancierd door de Europese Unie en het Horizon 2020-programma van de Europese Onderzoeksraad. "Het beheert bijna volledig de ionen en defecten in perovskieten."

"We hebben ontdekt dat perovskieten zeer tolerant zijn voor additieven - je kunt nieuwe componenten toevoegen en ze zullen beter presteren, " zei eerste auteur Mojtaba Abdi-Jalebi, een promovendus bij het Cavendish Laboratory die wordt gefinancierd door Nava Technology Limited. "In tegenstelling tot andere fotovoltaïsche technologieën, we hoeven geen extra laag toe te voegen om de prestaties te verbeteren, het additief wordt gewoon gemengd met de perovskiet-inkt."

De perovskiet- en kaliumapparaten vertoonden een goede stabiliteit in tests, en waren 21,5% efficiënt in het omzetten van licht in elektriciteit, die vergelijkbaar is met de beste op perovskiet gebaseerde zonnecellen en niet ver onder de praktische efficiëntiegrens van op silicium gebaseerde zonnecellen, dat is (29%). Tandemcellen gemaakt van twee perovskietlagen met ideale bandafstanden hebben een theoretische efficiëntielimiet van 45% en een praktische limiet van 35% - die beide hoger zijn dan de huidige praktische efficiëntielimieten voor silicium. "Je krijgt meer kracht voor je geld, ’ zei Stranken.