Perovskieten - een brede categorie verbindingen die een bepaalde kristalstructuur delen - hebben veel aandacht getrokken als potentiële nieuwe zonnecelmaterialen vanwege hun lage kosten, flexibiliteit, en relatief eenvoudig productieproces. Maar er is nog veel onbekend over de details van hun structuur en de effecten van het vervangen van verschillende metalen of andere elementen in het materiaal.

Conventionele zonnecellen van silicium moeten bij temperaturen boven de 1 verwerkt worden. 400 graden Celsius, het gebruik van dure apparatuur die hun potentieel voor opschaling van de productie beperkt. In tegenstelling tot, perovskieten kunnen worden verwerkt in een vloeibare oplossing bij temperaturen zo laag als 100 graden, met behulp van goedkope apparatuur. Bovendien, perovskieten kunnen op verschillende ondergronden worden afgezet, inclusief flexibele kunststoffen, waardoor een verscheidenheid aan nieuwe toepassingen mogelijk zou zijn met dikkere, stijvere siliciumwafels.

Nutsvoorzieningen, onderzoekers hebben een belangrijk aspect kunnen ontcijferen van het gedrag van perovskieten gemaakt met verschillende formuleringen:met bepaalde additieven is er een soort "sweet spot" waar grotere hoeveelheden de prestaties zullen verbeteren en waarboven verdere hoeveelheden het beginnen te degraderen. De bevindingen worden deze week gedetailleerd in het tijdschrift Wetenschap , in een paper van voormalig MIT-postdoc Juan-Pablo Correa-Baena, MIT-hoogleraren Tonio Buonassisi en Moungi Bawendi, en 18 anderen bij MIT, de Universiteit van Californië in San Diego, en andere instellingen.

Perovskieten zijn een familie van verbindingen die een driedelige kristalstructuur delen. Elk onderdeel kan worden gemaakt van een aantal verschillende elementen of verbindingen, wat leidt tot een zeer breed scala aan mogelijke formuleringen. Buonassisi vergelijkt het ontwerpen van een nieuwe perovskiet met het bestellen van een menu, het kiezen van een (of meer) uit elk van kolom A, kolom B, en (volgens afspraak) kolom X. "Je kunt mixen en matchen, " hij zegt, maar tot nu toe konden alle variaties alleen met vallen en opstaan ​​worden bestudeerd, omdat onderzoekers geen basiskennis hadden van wat er in het materiaal gebeurde.

In eerder onderzoek door een team van de Zwitserse École Polytechnique Fédérale de Lausanne, waaraan Correa-Baena deelnam, had ontdekt dat het toevoegen van bepaalde alkalimetalen aan de perovskietmix de efficiëntie van het materiaal bij het omzetten van zonne-energie in elektriciteit zou kunnen verbeteren, van ongeveer 19 procent tot ongeveer 22 procent. Maar destijds was er geen verklaring voor deze verbetering, en geen begrip van wat deze metalen precies deden in de compound. "Er was heel weinig bekend over hoe de microstructuur de prestaties beïnvloedt, ' zegt Buonassisi.

Nutsvoorzieningen, gedetailleerde mapping met behulp van synchrotron nano-röntgenfluorescentiemetingen met hoge resolutie, die het materiaal kan onderzoeken met een straal van slechts een duizendste van de breedte van een haar, heeft de details van het proces onthuld, met mogelijke aanwijzingen om de prestaties van het materiaal nog verder te verbeteren.

Het blijkt dat het toevoegen van deze alkalimetalen, zoals cesium of rubidium, aan de perovskietverbinding helpt sommige van de andere bestanddelen om soepeler met elkaar te mengen. Zoals het team het beschrijft, deze additieven helpen het mengsel te "homogeniseren", waardoor het gemakkelijker elektriciteit geleidt en zo zijn efficiëntie als zonnecel verbetert. Maar, ze vonden, dat werkt maar tot een bepaald punt. Voorbij een bepaalde concentratie, deze toegevoegde metalen klonteren samen, het vormen van gebieden die interfereren met de geleidbaarheid van het materiaal en gedeeltelijk het aanvankelijke voordeel tegenwerken. Tussenin, voor een bepaalde formulering van deze complexe verbindingen, is de sweet spot die de beste prestaties levert, ze vonden.

"Het is een grote bevinding, " zegt Correa-Baena, die in januari assistent-professor materiaalwetenschappen en techniek werd bij Georgia Tech. Wat de onderzoekers vonden, na ongeveer drie jaar werken bij MIT en met medewerkers bij UCSD, was "wat gebeurt er als je die alkalimetalen toevoegt, en waarom de prestaties verbeteren." Ze waren in staat om de veranderingen in de samenstelling van het materiaal direct waar te nemen, en onthullen, onder andere, deze compenserende effecten van homogeniseren en klonteren.

"Het idee is dat op basis van deze bevindingen, we weten nu dat we soortgelijke systemen moeten onderzoeken, wat betreft het toevoegen van alkalimetalen of andere metalen, " of het variëren van andere delen van het recept, zegt Correa-Baena. Hoewel perovskieten grote voordelen kunnen hebben ten opzichte van conventionele siliciumzonnecellen, vooral in termen van de lage kosten van het opzetten van fabrieken om ze te produceren, ze hebben nog meer werk nodig om hun algehele efficiëntie te verhogen en hun levensduur te verbeteren, die aanzienlijk achterblijft bij die van siliciumcellen.

Hoewel de onderzoekers de structurele veranderingen hebben opgehelderd die plaatsvinden in het perovskietmateriaal bij het toevoegen van verschillende metalen, en de resulterende veranderingen in prestaties, "we begrijpen de chemie hierachter nog steeds niet, ", zegt Correa-Baena. Dat is het onderwerp van doorlopend onderzoek door het team. Het theoretische maximale rendement van deze perovskiet-zonnecellen is ongeveer 31 procent, volgens Correa-Baena, en de beste prestatie tot nu toe is ongeveer 23 procent, dus er blijft een aanzienlijke marge voor mogelijke verbetering.

Hoewel het jaren kan duren voordat perovskieten hun volledige potentieel hebben bereikt, ten minste twee bedrijven zijn al bezig met het opzetten van productielijnen, en ze verwachten binnen een jaar of zo te beginnen met de verkoop van hun eerste modules. Sommige hiervan zijn klein, transparante en kleurrijke zonnecellen ontworpen om te worden geïntegreerd in de gevel van een gebouw. "Het gebeurt al, " zegt Correa-Baena, "maar er is nog werk aan de winkel om deze duurzamer te maken."

Zodra problemen van grootschalige produceerbaarheid, efficiëntie, en duurzaamheid komen aan de orde, Buonassisi zegt, perovskieten zouden een belangrijke speler kunnen worden in de sector van hernieuwbare energie. “Als ze erin slagen duurzaam te maken, hoogrenderende modules met behoud van de lage productiekosten, dat zou het spel kunnen veranderen, " zegt hij. "Het zou de uitbreiding van zonne-energie veel sneller kunnen toestaan ​​dan we hebben gezien."

Dit verhaal is opnieuw gepubliceerd met dank aan MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), een populaire site met nieuws over MIT-onderzoek, innovatie en onderwijs.