Engineering-onderzoekers van de University of Toronto hebben twee opkomende technologieën voor zonne-energie van de volgende generatie gecombineerd en ontdekten dat elk de andere helpt stabiliseren. Het resulterende hybride materiaal is een belangrijke stap in de richting van het verlagen van de kosten van zonne-energie en vermenigvuldigt de manieren waarop het kan worden gebruikt.

Tegenwoordig zijn vrijwel alle zonnecellen gemaakt van zeer zuiver silicium. Het is een gevestigde technologie, en in de afgelopen jaren zijn de fabricagekosten aanzienlijk gedaald als gevolg van schaalvoordelen. Hoe dan ook, silicium heeft een bovengrens aan zijn efficiëntie. Een team onder leiding van professor Ted Sargent streeft naar complementaire materialen die het zonneoogstpotentieel van silicium kunnen verbeteren door golflengten van licht te absorberen die silicium niet kan.

"Twee van de technologieën die we in ons lab nastreven zijn perovskietkristallen en kwantumdots, " zegt Sargent. "Beide zijn geschikt voor oplossingsverwerking. Stelt u zich eens een 'zonne-inkt' voor die op flexibel plastic kan worden geprint om goedkope, buigbare zonnecellen. We kunnen ze ook combineren voor, of achter, silicium zonnecellen om hun efficiëntie verder te verbeteren."

Een van de belangrijkste uitdagingen voor zowel perovskieten als kwantumdots is stabiliteit. Op kamertemperatuur, sommige soorten perovskieten ervaren een aanpassing in hun 3D-kristalstructuur waardoor ze transparant worden - ze absorberen de zonnestraling niet langer volledig.

Voor hun deel, kwantumdots moeten bedekt zijn met een dunne laag die bekend staat als een passiveringslaag. Deze laag - slechts één molecuul dik - voorkomt dat de kwantumstippen aan elkaar blijven plakken. Maar temperaturen boven 100 C kunnen de passiveringslaag vernietigen, waardoor de kwantumstippen samenklonteren of samenklonteren, hun vermogen om licht te oogsten te vernietigen.

In een artikel dat vandaag is gepubliceerd in Natuur , een team van onderzoekers van het laboratorium van Sargent rapporteert een manier om perovskieten en kwantumstippen te combineren die beide stabiliseren.

"Voordat we dit deden, mensen probeerden de twee uitdagingen meestal afzonderlijk aan te pakken, " zegt Mengxia Liu, hoofdauteur van de krant.

"Onderzoek heeft de succesvolle groei aangetoond van hybride structuren die zowel perovskieten als kwantumdots bevatten, " zegt Liu, die nu een postdoctoraal onderzoeker is aan de universiteit van Cambridge. "Dit inspireerde ons om de mogelijkheid te overwegen dat de twee materialen elkaar zouden kunnen stabiliseren als ze dezelfde kristalstructuur delen."

Liu en het team bouwden twee soorten hybride materialen. Een daarvan was voornamelijk kwantumdots met ongeveer 15% perovskieten per volume, en is ontworpen om licht om te zetten in elektriciteit. De andere waren voornamelijk perovskieten met minder dan 15% kwantumdots per volume, en is beter geschikt om elektriciteit in licht om te zetten, bijvoorbeeld, als onderdeel van een lichtgevende diode (LED).

Het team kon aantonen dat het perovskietrijke materiaal zes maanden stabiel bleef onder omgevingsomstandigheden (25 C en 30% vochtigheid), ongeveer tien keer langer dan materialen die alleen uit dezelfde perovskiet bestaan. Wat betreft het kwantumpuntmateriaal, bij verhitting tot 100 C, de aggregatie van de nanodeeltjes was vijf keer lager dan wanneer ze niet met perovskieten waren gestabiliseerd.

"Het bewees onze hypothese opmerkelijk goed, " zegt Liu. "Het was een indrukwekkend resultaat dat onze verwachtingen overtrof."

Het nieuwe artikel biedt proof-of-concept voor het idee dat dit soort hybride materialen de stabiliteit kunnen verbeteren. In de toekomst, Liu hoopt dat fabrikanten van zonnecellen haar ideeën zullen doorvoeren en nog verder zullen verbeteren om zonnecellen te maken die in oplossing zijn verwerkt die aan dezelfde criteria voldoen als traditioneel silicium.

"Industriële onderzoekers zouden kunnen experimenteren door verschillende chemische elementen te gebruiken om de perovskieten of kwantumstippen te vormen, " zegt Liu. "Wat we hebben laten zien is dat dit een veelbelovende strategie is om de stabiliteit in dit soort structuren te verbeteren."

"Perovskieten hebben een enorm potentieel getoond als materialen voor zonne-energie, maar er zijn fundamentele oplossingen nodig om ze om te zetten in stabiele en robuuste materialen die kunnen voldoen aan de veeleisende eisen van de sector van hernieuwbare energie." zegt Jeffrey C. Grossman, de Morton en Claire Goulder en Family Professor in Environmental Systems en een professor in de afdeling Materials Science and Engineering aan het Massachusetts Institute of Technology, die niet bij het onderzoek betrokken was. "De Toronto-studie toont een opwindende nieuwe manier om het begrip te bevorderen, en de prestatie, van stabiele perovskietkristalfasen."

Liu schrijft de ontdekking gedeeltelijk toe aan de samenwerkingsomgeving in het team, waaronder onderzoekers uit vele disciplines, inclusief scheikunde, natuurkunde en haar eigen gebied van materiaalkunde.

"Perovskiet en kwantumstippen hebben verschillende fysieke structuren, en de overeenkomsten tussen deze materialen zijn meestal over het hoofd gezien, " zegt ze. "Deze ontdekking laat zien wat er kan gebeuren als we ideeën uit verschillende vakgebieden combineren."