Een nieuwe studie onthult goed nieuws voor de mogelijkheid om perovskietmaterialen te gebruiken in zonnecellen van de volgende generatie.

De studie, gepubliceerd in het tijdschrift Acta Materialia , constateert dat hoewel perovskietfilms de neiging hebben om gemakkelijk te barsten, die scheuren zijn gemakkelijk te genezen met wat compressie of een beetje warmte. Dat belooft wat, zeggen de onderzoekers, voor het gebruik van goedkope perovskieten om het dure silicium in zonneceltechnologieën te vervangen of aan te vullen.

"De efficiëntie van perovskiet-zonnecellen is zeer snel gegroeid en concurreert nu met silicium in laboratoriumcellen, " zei Nitin Padture, de Otis E. Randall Professor in Brown's School of Engineering en directeur van Brown's Institute for Molecular and Nanoscale Innovation. "Iedereen streeft naar hoge efficiëntie, wat belangrijk is, maar we moeten ook nadenken over zaken als duurzaamheid op lange termijn en mechanische betrouwbaarheid als we deze zonneceltechnologie op de markt willen brengen. Daar ging dit onderzoek over."

Perovskieten, een brede klasse van kristallijne materialen, werden voor het eerst ingebouwd in zonnecellen in 2009. Die eerste perovskiet-zonnecellen hadden een energieconversie-efficiëntie van ongeveer 4%, maar nu is dat meer dan 25% - in wezen hetzelfde als traditioneel silicium. Het voordeel van perovskiet-zonnecellen is dat ze gemaakt kunnen worden voor een fractie van de kosten van silicium, mogelijk de kosten van installaties voor zonne-energie verlagen. Perovskieten kunnen ook worden gemaakt in dunne films die semi-transparant en flexibel zijn, mogelijk de weg vrijmaken voor energieopwekkende ramen of voor lichtgewicht, flexibele zonnecellen in tenten of rugzakken.

Maar de lage kosten en het gemak van het maken van perovskiet-zonnecellen brengt kosten met zich mee.

"In de materiaalkunde dingen die gemakkelijk te maken zijn, zijn ook gemakkelijk te breken, " zei Padture die de studie leidde. "Dat geldt zeker voor perovskieten, die nogal breekbaar zijn. Maar hier laten we zien dat ze ook vrij eenvoudig te repareren zijn - scheuren in perovskietfilms kunnen worden genezen door ze samen te drukken of met matige hitte."

Voor de studie, Srinivas Yadavalli, een promovendus die in het laboratorium van Padture werkt en de eerste auteur van het artikel, afgezet perovskietfilms op plastic substraten. Vervolgens boog hij het substraat om trekspanning (uit elkaar trekken) op de perovskietfilm te zetten terwijl hij een scanning elektronenmicroscoop (SEM) gebruikte om scheuren te detecteren. Toen de film eenmaal was gekraakt, de onderzoekers bogen het substraat vervolgens in de tegenovergestelde richting om te zien of drukspanning die scheuren zou kunnen genezen.

Zowaar, SEM-beeldvorming toonde aan dat de scheuren waren verdwenen. Om er zeker van te zijn dat de scheuren volledig waren genezen en niet alleen verborgen, de onderzoekers gebruikten een techniek die bekend staat als röntgendiffractie. Door de grootte van het atomaire rooster van een materiaal te meten, de techniek kan onthullen of een voorheen gebarsten gebied nu een mechanische belasting kan dragen - een trefzeker teken dat de scheur is genezen. Die tests wezen ook op volledig genezen scheuren.

De onderzoekers ontdekten dat warmte net zo effectief was bij het genezen van scheuren. Temperaturen rond de 100 graden Celsius - vrij bescheiden verwarming volgens materiaalwetenschappelijke normen - waren voldoende om scheuren in perovskietfilms volledig te genezen.

Padture zegt dat het onderzoek was gericht op een beter begrip van de basiseigenschappen van perovskietmaterialen, en er moet meer werk worden verzet om methoden te ontwikkelen om deze informatie in een commerciële omgeving toe te passen. Maar wetende dat perovskietfilms gemakkelijk kunnen worden genezen, zou nuttig kunnen zijn nu dit soort zonnecellen op de markt komen.

"Het is goed nieuws, " zei Padture. "Het suggereert dat vrij eenvoudige genezingsmethoden kunnen helpen de prestaties in dit soort zonnecellen te behouden."