Op lood gebaseerde perovskieten zijn veelbelovende materialen voor de productie van zonnepanelen. Ze zetten licht efficiënt om in elektriciteit, maar ze hebben ook enkele grote nadelen:de meest efficiënte materialen zijn niet erg stabiel, terwijl lood een giftig element is. Wetenschappers van de Rijksuniversiteit Groningen onderzoeken alternatieven voor op lood gebaseerde perovskieten. Twee factoren die de efficiëntie van deze zonnecellen aanzienlijk beïnvloeden, zijn het vermogen om dunne films te vormen en de structuur van de materialen in de zonnecellen. Daarom, het is erg belangrijk om in situ te onderzoeken hoe loodvrije perovskietkristallen ontstaan ​​en hoe de kristalstructuur de werking van de zonnecellen beïnvloedt. De resultaten van het onderzoek zijn gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen op 31 maart.

Fotovoltaïsche cellen die zijn gebaseerd op hybride perovskieten werden voor het eerst geïntroduceerd in 2009 en werden al snel bijna net zo efficiënt als standaard siliciumzonnecellen. Deze materialen hebben een zeer kenmerkende kristalstructuur, bekend als de perovskietstructuur. In een geïdealiseerde kubische eenheidscel, anionen vormen een octaëder rond een centraal kation, terwijl de hoeken van de kubus bezet zijn door andere, grotere kationen. Verschillende ionen kunnen worden gebruikt om verschillende perovskieten te maken.

Spincoating

De beste resultaten in zonnecellen zijn verkregen met perovskieten met lood als centraal kation. Omdat dit metaal giftig is, op tin gebaseerde alternatieven zijn ontwikkeld, bijvoorbeeld, formamidiniumtinjodide (FASnI ₃ ). Dit is een veelbelovend materiaal; echter, het mist de stabiliteit van sommige van de op lood gebaseerde materialen. Er zijn pogingen gedaan om de 3D FASnI ₃ kristallen met gelaagde materialen, dat het organische kation fenylethylammonium (PEA) bevat. "Mijn collega, Professor Maria Loï, en haar onderzoeksteam toonden aan dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid van deze PEA een stabieler en efficiënter materiaal oplevert, ", zegt assistent-professor Giuseppe Portale. "Echter, het toevoegen van veel vermindert de fotovoltaïsche efficiëntie."

Dat is waar Portale om de hoek komt kijken. Perovskieten zijn lange tijd bestudeerd door hoogleraar fotofysica en opto-elektronica Maria Loi, terwijl Portale een röntgendiffractietechniek ontwikkelde waarmee hij de snelle vorming van dunne films in realtime kan bestuderen tijdens spincoating vanuit oplossing. Op laboratoriumschaal is de perovskietfilms worden over het algemeen gemaakt door spincoating, een proces waarbij een voorloperoplossing wordt afgeleverd op een snel draaiend substraat. Kristallen groeien als het oplosmiddel verdampt. Bij de bundellijn BM26B-DUBBLE bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF) in Grenoble, Frankrijk, Portale onderzocht wat er gebeurt tijdens de vorming van een tin-perovskietfilm.

Koppel

"Ons eerste idee, die gebaseerd was op ex situ onderzoeken, was dat de georiënteerde kristallen vanaf het substraatoppervlak naar boven groeien, " legt Portale uit. Echter, de in situ resultaten toonden het tegenovergestelde:kristallen beginnen te groeien op het grensvlak lucht/oplossing. Tijdens zijn experimenten, hij gebruikte 3D FASnI ₃ met toevoeging van verschillende hoeveelheden van de 2-D PEASnI ₄ . In de pure 3D-perovskiet, kristallen begonnen zich aan het oppervlak te vormen, maar ook in het grootste deel van de oplossing. Echter, het toevoegen van een kleine hoeveelheid van het 2-D-materiaal onderdrukte bulkkristallisatie en de kristallen groeiden alleen vanaf het grensvlak.

"PEA-moleculen spelen een actieve rol in de voorloperoplossing van de perovskieten, stabiliseren van de groei van georiënteerde 3D-achtige kristallen door coördinatie aan de randen van het kristal. Bovendien, PEA-moleculen voorkomen nucleatie in de bulkfase, dus kristalgroei vindt alleen plaats op het grensvlak lucht/oplosmiddel, " legt Portale uit. De resulterende films zijn samengesteld uit uitgelijnde 3D-achtige perovskietkristallen en een minimale hoeveelheid 2-D-achtige perovskiet, bevindt zich aan de onderkant van de film. De toevoeging van lage concentraties van het 2D-materiaal produceert een stabiel en efficiënt fotovoltaïsch materiaal, terwijl de efficiëntie dramatisch daalt bij hoge concentraties van dit 2D-materiaal.

Isolator

De experimenten van Portale en Loi kunnen deze waarneming verklaren:"Het 2-D-achtige perovskiet bevindt zich op het grensvlak van substraat en film. Het verhogen van de inhoud van het 2-D-materiaal tot boven een bepaalde hoeveelheid veroorzaakt de vorming van een verlengd 2- D-achtige organische laag die werkt als een isolator, met nadelige gevolgen voor de efficiëntie van het apparaat." De conclusie van het onderzoek is dat de vorming van deze isolerende laag moet worden voorkomen om een ​​zeer efficiënt en stabiel perovskiet op tinbasis te bereiken. "De volgende stap is om dit te realiseren, bijvoorbeeld door te spelen met oplosmiddelen, temperatuur of specifieke perovskiet/substraat interacties die de vorming van deze dikke isolerende laag kunnen doorbreken."