Een team van onderzoekers uit het VK en Japan heeft ontdekt dat de kleine defecten die de efficiëntie van perovskieten - goedkopere alternatieve materialen voor zonnecellen - beperken, ook verantwoordelijk zijn voor structurele veranderingen in het materiaal die tot degradatie leiden.

De onderzoekers gebruikten een combinatie van technieken om het verouderingsproces onder zonlicht na te bootsen en veranderingen in de materialen op nanoschaal waar te nemen, waardoor ze nieuwe inzichten in de materialen kregen, die ook potentieel laten zien voor opto-elektronische toepassingen zoals energiezuinige LED's en röntgenstralen detectoren, maar zijn beperkt in hun levensduur.

Hun resultaten, gerapporteerd in het tijdschrift Nature , zou de ontwikkeling van duurzame, in de handel verkrijgbare fotovoltaïsche zonnecellen van perovskiet aanzienlijk kunnen versnellen.

Perovksieten zijn overvloedig en veel goedkoper te verwerken dan kristallijn silicium. Ze kunnen worden gemaakt met vloeibare inkt die eenvoudig wordt bedrukt om een ​​dunne film van het materiaal te produceren.

Hoewel de totale energie-output van perovskiet-zonnecellen vaak kan voldoen aan of - in het geval van meerlagige "tandem" -apparaten - dat haalbaar is met traditionele siliciumfotovoltaïsche cellen, vormt de beperkte levensduur van de apparaten een belangrijke belemmering voor hun commerciële levensvatbaarheid.

Een typisch siliciumzonnepaneel, zoals u dat misschien op het dak van een huis ziet, gaat doorgaans ongeveer 20-25 jaar mee zonder noemenswaardige prestatieverliezen.

Omdat perovskiet-apparaten veel goedkoper te produceren zijn, hoeven ze misschien niet zo lang mee te gaan als hun silicium-tegenhangers om bepaalde markten te betreden. Maar om hun uiteindelijke potentieel in het realiseren van wijdverbreide decarbonisatie te realiseren, zullen cellen minstens tien jaar of langer moeten werken. Onderzoekers en fabrikanten moeten nog een perovskiet-apparaat ontwikkelen met een vergelijkbare stabiliteit als siliciumcellen.

Nu hebben onderzoekers van de Universiteit van Cambridge en het Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan het geheim ontdekt om de "achilleshiel" van perovskieten te behandelen.

Met behulp van een toolkit van technieken met hoge ruimtelijke resolutie, in samenwerking met de Diamond Light Source synchrotron-faciliteit en het elektronen Physical Sciences Imaging Center (ePSIC) in Didcot, en het Department of Materials Science and Metallurgy in Cambridge, kon het team de eigenschappen op nanoschaal van deze dunne films en hoe ze in de loop van de tijd veranderen onder zonlicht.

Eerder werk van het team dat vergelijkbare technieken gebruikte, heeft licht geworpen op de defecten die tekortkomingen veroorzaken in de prestaties van perovskiet-fotovoltaïsche energie-zogenaamde carrier traps.

"Door de perovskietfilms in de loop van de tijd te verlichten en de veroudering van zonnecelapparaten te simuleren, ontdekken we dat de meest interessante dynamiek plaatsvindt bij deze nanoscopische valclusters", zei co-auteur Dr. Stuart Macpherson van Cambridge's Cavendish Laboratory.

"We weten nu dat de veranderingen die we zien verband houden met fotodegradatie van de films. Als gevolg hiervan kunnen efficiëntiebeperkende dragervallen nu rechtstreeks worden gekoppeld aan de even cruciale kwestie van de levensduur van zonnecellen."

"Het is best spannend", zei co-auteur Dr. Tiarnan Doherty, van Cambridge's Department of Chemical Engineering and Biotechnology, en Murray Edwards College, "omdat het suggereert dat als je de vorming van deze oppervlaktevallen kunt aanpakken, je tegelijkertijd zult verbeteren prestaties en de stabiliteit van de apparaten in de loop van de tijd."

Door de chemische samenstelling af te stemmen en hoe de perovskietfilm zich vormt, bij het voorbereiden van de apparaten, hebben de onderzoekers aangetoond dat het mogelijk is om te bepalen hoeveel van deze schadelijke fasen zich vormen en, bij uitbreiding, hoe lang het apparaat meegaat.

"De meest stabiele apparaten lijken de dichtheid van schadelijke fasen op een toevallige manier te verlagen door subtiele compositie- en structurele aanpassingen", zei Doherty. "We hopen dat dit artikel een meer rationele, gerichte aanpak onthult om dit te doen en de best presterende apparaten te bereiken die werken met maximale stabiliteit."

De groep is optimistisch dat hun laatste bevindingen ons nog dichter bij de eerste commercieel verkrijgbare perovskiet fotovoltaïsche apparaten zullen brengen.

"Perovskiet-zonnecellen staan ​​aan de vooravond van commercialisering, met de eerste productielijnen die al modules produceren", zegt Dr. Sam Stranks van Cambridge's Department of Chemical Engineering and Biotechnology, die het onderzoek leidde.

"We begrijpen nu dat eventuele resterende ongewenste fasen - zelfs kleine nanoschaaltjes die overblijven bij de verwerking van de cellen - slecht nieuws zullen zijn voor de levensduur van perovskiet-zonnecellen. De productieprocessen moeten daarom een ​​zorgvuldige afstemming van de structuur en samenstelling over een groot gebied omvatten to eliminate any trace of these unwanted phases—even more careful control than is widely thought for these materials. This is a great example of fundamental science directly guiding scaled manufacturing."

"It has been very satisfying to see the approaches that we've developed at OIST and Cambridge over the past several years provide direct visuals of these tiny residual unwanted phases, and how they change over time," said co-author Dr. Keshav Dani of OIST's Femtosecond Spectroscopy Unit. "The hope remains that these techniques will continue to reveal the performance limiting aspects of photovoltaic devices, as we work towards studying operational devices."

"Another strength of perovskite devices is that they can be made in countries where there's no existing infrastructure for processing monocrystalline silicon," said Macpherson. "Silicon solar cells are cheap in the long term but require a substantial initial capital outlay to begin processing. But for perovskites, because they can be solution processed and printed so easily, using far less material, you remove that initial cost. They offer a viable option for low- and middle-income countries looking to transition to solar energy." + Verder verkennen

New roadmap to better performing solar energy cells