Installaties van zonnepanelen zijn in opkomst in de VS, met meer dan 2 miljoen nieuwe installaties begin 2019, het meest ooit in een eerste kwartaal, volgens een recent rapport van Solar Energy Industries Association en Wood Mackenzie Power &Renewables.

Om aan de steeds toenemende eisen te voldoen, goedkope en efficiëntere alternatieven voor op silicium gebaseerde zonnecellen - momenteel de meest gebruikte technologie - zijn wenselijk. In het afgelopen decennium, loodhalogenide-perovskieten zijn de meest veelbelovende klasse van alternatieve materialen geworden; echter, ze zijn onstabiel. Ze bevatten lood, die giftig is en potentiële gevaren voor de gezondheid en het milieu met zich meebrengt, zoals verontreiniging van het grondwater.

Een team van ingenieurs aan de Washington University in St. Louis heeft gevonden wat volgens hen een stabielere, minder giftige halfgeleiders voor zonne-energietoepassingen met behulp van een nieuw dubbel perovskietoxide dat is ontdekt door middel van data-analyse en kwantummechanische berekeningen.

Hun werk is op 11 juni online gepubliceerd in Chemie van materialen .

Rohan Misra, universitair docent werktuigbouwkunde en materiaalkunde aan de McKelvey School of Engineering, leidde een interdisciplinair, internationaal team dat de nieuwe halfgeleider ontdekte, samengesteld uit kalium, barium, tellurium, bismut en zuurstof (KBaTeBiO6). Het loodvrije dubbele perovskietoxide was een van de eerste 30, 000 potentiële op bismut gebaseerde oxiden. Van die 30, 000, slechts ongeveer 25 waren bekende verbindingen.

Met behulp van materiaalinformatica en kwantummechanische berekeningen op een van de snelste supercomputers ter wereld, Arashdeep Singh Thind, een doctoraalstudent in het laboratorium van Mishra in het Oak Ridge National Laboratory, vond KBaTeBiO6 de meest veelbelovende van de 30, 000 potentiële oxiden.

"We ontdekten dat dit de meest stabiele verbinding leek te zijn en dat het in het laboratorium kon worden gesynthetiseerd, " zei Mishra. "Wat nog belangrijker is, terwijl de meeste oxiden een grote band hebben, we voorspelden dat de nieuwe verbinding een lagere band gap zou hebben, die dicht bij de halide perovskieten ligt, en redelijk goede eigenschappen te hebben."

De band gap is de energiebarrière die elektronen moeten overwinnen om vrije dragers te vormen die, in de context van een zonnecel, kan worden verwijderd om een ​​elektrisch apparaat van stroom te voorzien of voor later gebruik in een batterij worden bewaard. De energie om deze barrière te overwinnen wordt geleverd door zonlicht. De meest veelbelovende verbindingen voor zonneceltoepassingen hebben een band gap van ongeveer 1,5 eV, of elektronvolt, zei Misra.

Mishra besprak de mogelijkheid om KBaTeBiO6 te synthetiseren met Pratim Biswas, assistent vice-kanselier, de Lucy &Stanley Lopata Professor en voorzitter van de afdeling Energie, Milieu &Chemische Technologie. Shalinee Kavadiya, toen een McKelvey Engineering-doctoraatsstudent en nu een postdoctoraal onderzoeksmedewerker aan de Arizona State University, aan de slag om het recept te perfectioneren.

"Shalinee besteedde ongeveer zes maanden aan het synthetiseren van het materiaal, ' zei Mishra. 'Toen ze het eenmaal kon synthetiseren, zoals we hadden voorspeld, het was stabiel en had een band gap van 1,88 eV, die we ook voorspelden."

Mishra zei dat dit zonnecellen van de eerste generatie zijn die meer fijnafstemming van de band gap nodig hebben. maar het is een goede eerste stap in de richting van niet-toxische zonnecellen.

"Dit laat zien dat we kunnen afstappen van deze loodhalogenide perovskieten, "Zei Mishra. "Dit opent een heel grote ruimte voor het ontwerpen van halfgeleiders, niet alleen voor zonneceltoepassingen, maar ook voor andere halfgeleidertoepassingen, zoals LCD-schermen."

Volgende, het team zal de rol van eventuele defecten in deze nieuwe halfgeleider bestuderen en kijken naar meer geavanceerde synthesetechnieken, inclusief het gebruik van aerosoltechnieken.