Op het gebied van fotovoltaïsche technologieën, op silicium gebaseerde zonnecellen vormen 90 procent van de markt. In termen van kosten, stabiliteit en efficiëntie (20-22 procent voor een typische zonnecel op de markt), ze lopen ver voor op de concurrentie.

Echter, na tientallen jaren van onderzoek en investeringen, op silicium gebaseerde zonnecellen zijn nu dicht bij hun maximale theoretische efficiëntie. Als resultaat, er zijn nieuwe concepten nodig om de prijzen voor zonne-elektriciteit op lange termijn te verlagen en om fotovoltaïsche technologie een meer algemeen aanvaarde manier van stroomopwekking te laten worden.

Een oplossing is om twee verschillende soorten zonnecellen op elkaar te plaatsen om de omzetting van lichtstralen in elektrische energie te maximaliseren. Deze "double-junction"-cellen worden op grote schaal onderzocht in de wetenschappelijke gemeenschap, maar zijn duur om te maken. Nutsvoorzieningen, onderzoeksteams in Neuchâtel - van EPFL's Photovoltaics Laboratory en het CSEM PV-center - hebben een economisch concurrerende oplossing ontwikkeld. Ze hebben een perovskietcel direct bovenop een standaard op silicium gebaseerde cel geïntegreerd, een recordrendement van 25,2 procent behalen. Hun productiemethode is veelbelovend, omdat het slechts een paar extra stappen zou toevoegen aan het huidige productieproces van siliciumcellen, en de kosten zouden redelijk zijn. Hun onderzoek is gepubliceerd in Natuurmaterialen .

Perovskiet-op-silicium:een nanometrisch broodje

De unieke eigenschappen van perovskiet hebben de afgelopen jaren geleid tot veel onderzoek naar het gebruik ervan in zonnecellen. In negen jaar tijd de efficiëntie van deze cellen is met een factor zes gestegen. Met perovskiet kan een hoge conversie-efficiëntie worden bereikt tegen mogelijk beperkte productiekosten.

In tandemcellen, perovskiet is een aanvulling op silicium. Het zet blauw en groen licht efficiënter om, terwijl silicium beter is in het omzetten van rood en infrarood licht. "Door de twee materialen te combineren, we kunnen het gebruik van het zonnespectrum maximaliseren en de hoeveelheid opgewekte stroom vergroten. De berekeningen en het werk dat we hebben gedaan, laten zien dat een efficiëntie van 30 procent binnenkort mogelijk moet zijn, ", zeggen de hoofdauteurs van de studie, Florent Sahli en Jérémie Werner.

Echter, het creëren van een effectieve tandemstructuur door de twee materialen op elkaar te plaatsen is geen gemakkelijke taak. "Het oppervlak van silicium bestaat uit een reeks piramides van ongeveer 5 micron, die het licht opvangen en voorkomen dat het wordt weerkaatst. Echter, de oppervlaktestructuur maakt het moeilijk om een ​​homogene film van perovskiet af te zetten, " legt Quentin Jeangros uit, die co-auteur van het artikel was.

Wanneer de perovskiet in vloeibare vorm wordt afgezet, zoals het meestal is, het hoopt zich op in de valleien tussen de piramides terwijl de toppen onbedekt blijven, leidend tot kortsluiting.

Een sleutellaag die zorgt voor een optimale microstructuur

Wetenschappers van EPFL en CSEM hebben dat probleem omzeild door verdampingsmethoden te gebruiken om een ​​anorganische basislaag te vormen die de piramides volledig bedekt. Die laag is poreus, waardoor het de vloeibare organische oplossing kan vasthouden die vervolgens wordt toegevoegd met behulp van een dunnefilmdepositietechniek die spincoating wordt genoemd. De onderzoekers verhitten het substraat vervolgens tot een relatief lage temperatuur van 150°C om een ​​homogene film van perovskiet te kristalliseren bovenop de siliciumpiramides.

"Tot nu, de standaardaanpak voor het maken van een perovskiet/silicium tandemcel was om de piramides van de siliciumcel af te vlakken, die de optische eigenschappen en dus de prestaties verminderde, voordat de perovskietcel erop wordt afgezet. Het voegde ook stappen toe aan het productieproces, ' zegt Florent Sahli.

Bestaande technologieën updaten

Het nieuwe type tandemcel is zeer efficiënt en direct compatibel met technologieën op basis van monokristallijn silicium. die profiteren van een jarenlange industriële expertise en al winstgevend worden geproduceerd. "We stellen voor om apparatuur te gebruiken die al in gebruik is, gewoon een paar specifieke fasen toevoegen. Fabrikanten gaan niet over op een geheel nieuwe zonnetechnologie, maar eenvoudigweg de productielijnen bijwerken die ze al gebruiken voor op silicium gebaseerde cellen, " legt Christophe Ballif uit, hoofd van EPFL's Photovoltaics Laboratory en CSEM's PV-Center.

Momenteel, het onderzoek wordt voortgezet om de efficiëntie verder te verhogen en de perovskietfilm meer stabiliteit op lange termijn te geven. Hoewel het team een ​​doorbraak heeft gemaakt, er is nog werk aan de winkel voordat hun technologie commercieel kan worden toegepast.