Zonne-energie wordt al lang beschouwd als de meest duurzame optie om onze afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te vervangen, maar technologieën voor het omzetten van zonne-energie in elektriciteit moeten zowel efficiënt als goedkoop zijn.

Wetenschappers van de Energy Materials and Surface Sciences Unit van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) geloven dat ze een winnende formule hebben gevonden in een nieuwe methode om goedkope, hoogrenderende zonnecellen te fabriceren. Prof. Yabing Qi en zijn team van OIST in samenwerking met Prof. Shengzhong Liu van Shaanxi Normal University, China, ontwikkelde de cellen met behulp van de materialen en verbindingen die de kristallijne structuur van het natuurlijk voorkomende mineraal perovskiet nabootsen. Ze beschrijven hun techniek in een studie gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .

In wat Prof. Qi aanduidt als "de gouden driehoek, " zonneceltechnologieën moeten aan drie voorwaarden voldoen om de moeite waard te zijn om te worden gecommercialiseerd:hun omzettingssnelheid van zonlicht in elektriciteit moet hoog zijn, ze moeten goedkoop te produceren zijn, en ze moeten een lange levensduur hebben. Vandaag, de meeste commerciële zonnecellen zijn gemaakt van kristallijn silicium, die een relatief hoog rendement heeft van ongeveer 22%. Hoewel silicium, de grondstof voor deze zonnecellen, is overvloedig, de verwerking ervan is vaak complex en doet de productiekosten stijgen, het eindproduct duur maken.

Perovskite biedt een meer betaalbare oplossing, Prof. Qi zegt. Perovskiet werd voor het eerst gebruikt om zonnecellen te maken in 2009 door het onderzoeksteam van prof. Tsutomu Miyasaka aan de Toin University van Yokohama, Japan, en sindsdien wint het snel aan belang. "Onderzoek naar perovskietcellen is veelbelovend. In slechts negen jaar tijd de efficiëntie van deze cellen ging van 3,8% naar 23,3%. Andere technologieën hebben meer dan 30 jaar onderzoek gekost om hetzelfde niveau te bereiken, " legt prof. Qi uit. De fabricagemethode die hij en zijn onderzoeksteam hebben ontwikkeld, produceert perovskiet-zonnecellen met een efficiëntie die vergelijkbaar is met die van kristallijne siliciumcellen, maar het is potentieel veel goedkoper dan het maken van siliciumzonnecellen.

Om de nieuwe cellen te maken, de onderzoekers bedekten transparante geleidende substraten met perovskietfilms die het zonlicht zeer efficiënt absorberen. Ze gebruikten een op gas-vaste reactie gebaseerde techniek waarbij het substraat eerst wordt gecoat met een laag waterstof-loodtrijodide waarin een kleine hoeveelheid chloorionen en methylaminegas is verwerkt - waardoor ze reproduceerbaar grote uniforme panelen kunnen maken, elk bestaande uit meerdere zonnecellen.

Bij het ontwikkelen van de methode de wetenschappers realiseerden zich dat het maken van de perovskietlaag van 1 micron dik de levensduur van de zonnecel aanzienlijk verhoogde. "De zonnecellen zijn bijna onveranderd na 800 uur werken, " zegt dr. Zonghao Liu, een postdoctoraal wetenschapper in de onderzoekseenheid van Prof. Qi bij OIST en de eerste auteur van de studie. In aanvulling, een dikkere coating verhoogde niet alleen de stabiliteit van de zonnecellen, maar vergemakkelijkte ook de fabricageprocessen, waardoor de productiekosten worden verlaagd. "De dikkere absorberende laag zorgt voor een goede reproduceerbaarheid van de fabricage van zonnecellen, wat een belangrijk voordeel is voor massaproductie in de realistische omgeving op industriële schaal, " zegt dr. Liu.

De grote uitdaging waar prof. Qi en zijn team nu voor staan, is het vergroten van de grootte van hun nieuw ontworpen zonnecel van het 0,1 mm2 grote prototype tot grote commerciële panelen die enkele meters lang kunnen zijn. Dit is waar de industrie kan helpen. "Er bestaat een grote kloof tussen de bevindingen in het laboratorium en de realiteit, en de industrie is niet altijd klaar om deze hele kloof alleen te overbruggen. Dus, de onderzoekers moeten nog een noodzakelijke stap buiten hun lab zetten en de industrie halverwege ontmoeten, " zegt prof. Qi.

Om die stap te zetten, Prof. Qi en team ontvingen een genereuze subsidie ​​van OIST's Technology Development and Innovation Center, onder hun Proof-of-Concept-programma. Met die financiering het team heeft een werkend model gebouwd van hun nieuwe perovskiet-zonnemodules bestaande uit meerdere zonnecellen op substraten van 5 cm x 5 cm, met een actief oppervlak van 12 cm2 veel groter dan hun experimentele prototype, maar kleiner dan wat nodig is voor commerciële doeleinden. Hoewel het proces van opschaling de efficiëntie van de cellen heeft teruggebracht van 20% naar 15%, de onderzoekers zijn optimistisch dat ze de komende jaren hun manier van werken kunnen verbeteren en het gebruik ervan succesvol kunnen commercialiseren.