Zonnecellen geproduceerd uit een combinatie van silicium en perovskiet - vooral de variant met gemengde halogeniden zoals jodium en broom - kunnen efficiënter en goedkoper zijn dan traditionele siliciumzonnecellen omdat ze een groter deel van het zonlicht omzetten in elektriciteit. Echter, perovskieten worden afgebroken onder invloed van licht, en dus nog niet voor commerciële toepassingen kunnen worden gebruikt. Het substitueren van het kation (positief geladen ion) in de structuur verbetert de stabiliteit van het materiaal. Onderzoekers van AMOLF hebben nu onthuld dat deze verbetering voortkomt uit compressie van de structuur, vergelijkbaar met het uitoefenen van aanzienlijke druk erop. Ze hebben hun resultaten gepubliceerd in Celrapporten Fysische Wetenschap .

Chemische intuïtie

Een perovskiet bestaat uit een loodion omgeven door halogenide-ionen zoals jodium- en broomionen. Dit vormt een 3D-structuur met kooien die zijn gevuld met een kation zoals methylammonium. Het probleem is dat als de structuur verlicht is, in het materiaal ontstaan ​​aparte gebieden waar ofwel voornamelijk jodium-ionen of voornamelijk broom-ionen voorkomen. Het voordeel van het jodium-broommengsel in de perovskieten gaat dan verloren:een groot deel van het lichtspectrum wordt omgezet in warmte in plaats van in elektriciteit.

Eline Hutter, een chemicus van opleiding en tot dit jaar onderzoeker bij AMOLF, dacht dat de spontane scheiding van de halogeniden voorkomen zou kunnen worden door het materiaal aan hoge druk te onderwerpen. "Destijds, Ik wist niet precies waarom. Ik noemde het chemische intuïtie."

Uitdagende experimenten

De groep Hybrid Solar Cells van AMOLF ontwikkelde eerder een opstelling die in dit geval erg handig was:een transientabsorptiespectrometer (TAS) die de elektronische eigenschappen van perovskieten onder zeer hoge druk kan meten. "Er is geen andere vergelijkbare opstelling die TAS combineert met een drukcel ter wereld, " zegt groepsleider Bruno Ehrler. "Maar ik was aanvankelijk sceptisch over het idee van Eline, deels omdat experimenten die we zouden moeten doen te uitdagend leken."

Samen met haar collega Loreta Muscarella, Eline Hutter gebruikte deze opstelling om te meten wat er gebeurt nadat het materiaal is belicht. "Als er geen druk op het materiaal staat, we zien een scheiding van broom en jodium. Onder 3000 bar druk, we zien dat scheiding niet meer voorkomt."

Praktische oplossing

Dit resultaat bevestigde Hutters hypothese dat het vrije volume in het materiaal, en daarmee de druk, speelt een cruciale rol bij de scheiding van de halogeniden. Een zonnecel maken die onder zo'n hoge druk staat is onpraktisch. Echter, er is een praktische oplossing, legt Hutter uit. "Als we het kation in de kooien van de perovskiet vervangen door een kleiner kation zoals cesium, er vindt een zogenaamde chemische samentrekking plaats. De hele structuur krimpt, net als aarde die uitdroogt en samentrekt. Het effect is precies hetzelfde als het materiaal blootstellen aan hoge druk."

Hutter en haar collega's gebruikten vervolgens de TAS om aan te tonen dat in deze chemisch gecomprimeerde perovskiet, de scheiding van jodium en broom trad niet meer op. Hiermee, ze toonden aan dat een vergeten aspect van de theorie belangrijk is:het volume van het materiaal werd eerder uitgesloten van de berekeningen, zegt Hutter. "Volgens mij, wat dit onderzoek zo interessant maakt, is het verband tussen de externe en interne druk."

Dit is een essentiële ontdekking om perovskieten stabiel te maken, zegt Ehrler. "De focus lag vooral op de kinetiek:het vertragen van de beweging van de ionen om de scheiding te vertragen. Nu hebben we aangetoond dat het verhogen van de druk, verandert de thermodynamica:de ionen bewegen net zo snel, maar de jodium- en broomscheiding is energetisch niet meer gunstig. Dus die segregatie gebeurt niet meer."