Nieuw inzicht in hoe een bepaalde klasse van fotovoltaïsche materialen een efficiënte omzetting van zonlicht in elektriciteit mogelijk maakt, zou deze materialen kunnen instellen om traditionele siliciumzonnecellen te vervangen. Een onderzoek door onderzoekers van Penn State onthult de unieke eigenschappen van deze goedkope en snel te produceren halide-perovskieten, informatie die de ontwikkeling van de volgende generatie zonnecellen zal begeleiden. De studie verschijnt 27 september in het tijdschrift Chemo .

"Sinds de ontwikkeling van siliciumzonnecellen, die tegenwoordig te vinden zijn op daken en bermen, onderzoekers hebben gezocht naar nieuwe soorten fotovoltaïsche materialen die gemakkelijker te verwerken zijn tot zonnecellen, " zei John Asbury, universitair hoofddocent scheikunde aan Penn State en senior auteur van de studie. "Dit komt omdat de constructie van siliciumzonnecellen complex is en moeilijk op te schalen tot het niveau dat nodig zou zijn om zelfs 10 procent van onze totale vraag naar elektriciteit op te wekken."

Door deze complicaties onderzoekers hebben gezocht naar goedkopere alternatieven voor siliciumzonnecellen die sneller kunnen worden verwerkt. Ze zijn vooral geïnteresseerd in materialen die kunnen worden verwerkt met behulp van een techniek genaamd roll-to-roll fabricage, een techniek die vergelijkbaar is met de techniek die wordt gebruikt om kranten te drukken en die goedkope, grootschalige productie. Dergelijke materialen moeten worden verwerkt uit oplossing, als inkt gedrukt op een pagina.

"Na veertig jaar intensief onderzoek naar dergelijke materialen, niets is in de buurt gekomen van silicium - behalve een opwindende klasse materialen die bekend staat als halide-perovskieten, " zei Asbury. "Halide-perovskieten lijken een unieke tolerantie te hebben voor onvolkomenheden in hun structuren, waardoor ze zonlicht efficiënt kunnen omzetten in elektriciteit, terwijl andere materialen met vergelijkbare onvolkomenheden dat niet doen."

Wat maakt halide perovskieten zo tolerant ten opzichte van onvolkomenheden, echter, was voorafgaand aan dit onderzoek niet bekend. De onderzoekers gebruikten ultrasnelle infraroodbeeldvormingstechnologie om te onderzoeken hoe de structuur en samenstelling van deze materialen hun vermogen om zonlicht om te zetten in elektriciteit beïnvloeden.

De onderzoekers stelden vast dat halide-perovskieten een uniek vermogen hebben om hun kristallijne structuur te behouden, zelfs als de atomen in hun kristallen ongewoon grootschalige trillingsbewegingen ondergaan. Alle materialen ervaren trillingsbewegingen van hun atomen, dat wordt meestal onderdrukt door de kristallen van de materialen erg hard te maken, zoals silicium, zodat hun atomen stevig op hun plaats worden gehouden. Maar, volgens de huidige studie, halide perovskieten zijn erg zacht, waardoor hun atomen kunnen bewegen en wat bijdraagt ​​aan hun opmerkelijke efficiëntie.

"Wat interessant is, is dat dergelijke grootschalige atomaire bewegingen typisch leiden tot een verlies van kristallijne structuur in andere materialen, het creëren van onvolkomenheden die de energie van de aangeslagen toestand afvoeren, "zei Asbury. "Maar met halide perovskieten, onderzoekers kunnen elektronisch geladen atomen in het materiaal chemisch vervangen om de amplitudes van dergelijke bewegingen op atomaire schaal af te stemmen. Dit zal ons in staat stellen om de prestaties en stabiliteit van halogenide perovskietmaterialen te verbeteren.

"Momenteel, halide-perovskieten bevatten vaak giftige elementen zoals lood en zijn nog niet zo stabiel als ze moeten zijn om siliciumzonnecellen te vervangen, " zei Asbury. "De inzichten uit deze studie zullen ons in staat stellen om regels te creëren voor het ontwerpen van nieuwe halide perovskieten met behulp van roll-to-roll-verwerking. Dit zal leiden tot de ontwikkeling van perovskietmaterialen van de volgende generatie die stabieler zijn en minder giftige elementen bevatten zoals tin in plaats van lood."