AMOLF-onderzoekers Erik Garnett, Susan Rigter, en collega's zijn de eersten die onweerlegbaar hebben aangetoond dat amorf perovskiet bestaat. Het materiaal kan de efficiëntie van zonnecellen geproduceerd uit perovskiet aanzienlijk verhogen. Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Geavanceerde functionele materialen .

Perovskiet, het veelbelovende nieuwe materiaal voor zonnecellen, is van nature kristallijn; met andere woorden, de atomen pakken samen in een geordend patroon. Van traditionele siliciumzonnecellen, we weten dat de efficiëntie van de cellen kan worden verhoogd als een deel van het materiaal amorf is, wat betekent dat de atomen willekeurig samenpakken.

Erik Garnett (AMOLF Nanoscale Solar Cells) was de eerste die zich realiseerde dat amorf perovskiet dezelfde functie zou kunnen vervullen. De volgende uitdaging was om het materiaal te produceren en de eigenschappen ervan te bestuderen. Garnett legt uit waarom dat moeilijk was:"Perovskiet bestaat uit ionen. deze organiseren zich gemakkelijk in een kristalrooster, net als tafelzout, bijvoorbeeld. We moesten een truc bedenken om te voorkomen dat die kristallen zich vormen, en dat is ons gelukt. Met behulp van technieken zoals röntgendiffractie, we hebben vervolgens ook aangetoond dat het materiaal amorf is. Hiermee, we hebben het eerste onweerlegbare bewijs geleverd dat amorf perovskiet bestaat."

Azijn maakt perovskiet amorf

De truc die Garnett, eerste auteur van het artikel Susan Rigter, en hun toegepaste collega's is het variëren van de hoeveelheid methylammoniumacetaat, een van de componenten van perovskiet. Meer acetaat (het belangrijkste ingrediënt in azijn) resulteert in meer amorf perovskiet omdat het het kristallisatieproces belemmert en het verdwijnen van het oplosmiddel versnelt. "We waren eigenlijk verrast dat we amorf perovskiet konden vormen, dus we wilden het vormingsmechanisme onderzoeken, ", zegt Garnett. "We hebben aangetoond dat als tussenstap, in de oplossing wordt een complex gevormd dat de kristallisatie belemmert. Wanneer we vervolgens de oplossing verwarmen om het oplosmiddel te verdampen, het complex ontleedt zo snel dat het geen tijd heeft om te kristalliseren."

De methode die de onderzoekers bedachten om amorf perovskiet te maken is breed toepasbaar. Het meest bestudeerde perovskiet is methylammoniumloodjodide, maar de synthese werkt ook met andere ammoniumzouten en met andere halogeniden zoals bromide in plaats van jodide. Verder, bleek dat het variëren van deze componenten een verschuiving in de bandgap opleverde, een eigenschap van de stof die aangeeft welke kleur licht de zonnecel het meest efficiënt absorbeert en omzet in elektriciteit. Door de mogelijkheid om de amorfe bandgap af te stemmen, kunnen veel materialen met verschillende bandgaps worden gecombineerd, wat leidt tot efficiëntere zonnecellen.

Efficiënte zonnecellen

Analoog aan silicium zonnecellen, een amorfe laag perovskiet kan de efficiëntie helpen verbeteren door een zogenaamde passiveringslaag aan te brengen, zegt Garnett. In het materiaal komen elektronen vrij als gevolg van licht dat op een zonnecel schijnt. Deze elektronen verplaatsen zich naar het oppervlak waar ze via elektronische contacten worden verwijderd. Hierdoor ontstaat een stroom. In een kristal, de elektronen kunnen vast komen te zitten aan de grens van het kristal. In record silicium zonnecellen, een amorfe passiverende laag zorgt ervoor dat dit niet gebeurt, wat leidt tot een hoger vermogen van de zonnecel. Amorf perovskiet zou deze functie ook kunnen vervullen, wat de efficiëntie van perovskiet-zonnecellen verder zou verhogen. "We meten sterkere en langer levende lichtemissie bij gebruik van de amorfe perovskiet als passiverende laag, wat een indicatie is voor een beter presterende zonnecel, " zegt Garnett.

Daarom, de volgende stap in het onderzoek is het produceren van dit type zonnecel, beginnend met een laag kristallijn perovskiet die wordt bedekt door een laag amorf perovskiet. Dat is moeilijker dan het produceren van alleen amorf perovskiet omdat de onderliggende kristallijne laag een geordend sjabloon biedt, waardoor het voor atomen gemakkelijker wordt om op een geordende manier in te pakken. "Ik beschouw de analogie met silicium als het meest opwindende aspect van ons onderzoek, " zegt Garnett. "Ik denk dat dit een belangrijke doorbraak is voor perovskieten met enorme mogelijkheden."