Er is veel leuks aan op perovskiet gebaseerde zonnecellen. Ze zijn eenvoudig en goedkoop te produceren, bieden flexibiliteit die een breed scala aan nieuwe installatiemethoden en plaatsen zou kunnen ontsluiten, en hebben de afgelopen jaren een energie-efficiëntie bereikt die die van traditionele op silicium gebaseerde cellen benadert.

Maar uitzoeken hoe je op perovskiet gebaseerde energieapparaten kunt maken die langer dan een paar maanden meegaan, was een uitdaging.

Nu onderzoekers van het Georgia Institute of Technology, University of California San Diego en Massachusetts Institute of Technology hebben nieuwe bevindingen gerapporteerd over perovskiet-zonnecellen die de weg kunnen banen naar apparaten die beter presteren.

"Perovskiet-zonnecellen bieden veel potentiële voordelen omdat ze extreem licht van gewicht zijn en kunnen worden gemaakt met flexibele plastic substraten, " zei Juan-Pablo Correa-Baena, een assistent-professor aan de Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Om op de markt te kunnen concurreren met zonnecellen op basis van silicium, echter, ze moeten efficiënter zijn."

In een onderzoek dat op 8 februari in het tijdschrift werd gepubliceerd: Wetenschap en werd gesponsord door het Amerikaanse ministerie van Energie en de National Science Foundation, de onderzoekers beschreven in meer detail de mechanismen van hoe het toevoegen van alkalimetaal aan de traditionele perovskieten tot betere prestaties leidt.

"Perovskieten kunnen het spel op zonne-energie echt veranderen, " zei David Fenning, een professor in nano-engineering aan de Universiteit van Californië in San Diego. "Ze hebben het potentieel om de kosten te verlagen zonder prestatieverlies. Maar er valt nog veel fundamenteel te leren over deze materialen."

Om perovskietkristallen te begrijpen, het is handig om de kristallijne structuur ervan als een triade te zien. Een deel van de drieklank wordt typisch gevormd uit het element lood. De tweede bestaat meestal uit een organische component zoals methylammonium, en de derde bestaat vaak uit andere halogeniden zoals broom en jodium.

In recente jaren, onderzoekers hebben zich gericht op het testen van verschillende recepten om betere efficiëntie te bereiken, zoals het toevoegen van jodium en broom aan de loodcomponent van de structuur. Later, ze probeerden cesium en rubidium te vervangen door het deel van de perovskiet dat typisch wordt ingenomen door organische moleculen.

"We wisten uit eerder werk dat het toevoegen van cesium en rubidium aan een gemengd broom- en jodiumloodperovskiet leidt tot betere stabiliteit en hogere prestaties, ' zei Correa-Baena.

Maar er was weinig bekend over waarom het toevoegen van die alkalimetalen de prestaties van de perovskieten verbeterde.

Om precies te begrijpen waarom dat leek te werken, de onderzoekers gebruikten röntgenmapping met hoge intensiteit om de perovskieten op nanoschaal te onderzoeken.

"Door te kijken naar de samenstelling in het perovskietmateriaal, we kunnen zien hoe elk afzonderlijk element een rol speelt bij het verbeteren van de prestaties van het apparaat, " zei Yanqi (Grace) Luo, een nano-engineering Ph.D. student aan UC San Diego.

Ze ontdekten dat wanneer cesium en rubidium werden toegevoegd aan het gemengde broom- en jodium-loodperovskiet, het zorgde ervoor dat broom en jodium homogener met elkaar vermengden, wat resulteert in een tot 2 procent hogere conversie-efficiëntie dan de materialen zonder deze additieven.

"We ontdekten dat uniformiteit in de chemie en structuur ervoor zorgt dat een perovskiet-zonnecel optimaal kan werken, " zei Fenning. "Elke heterogeniteit in die ruggengraat is als een zwakke schakel in de keten."

Toch, de onderzoekers merkten ook op dat door het toevoegen van rubidium of cesium het broom en jodium homogener werden, de halogenidemetalen zelf binnen hun eigen kation bleven redelijk geclusterd, het creëren van inactieve "dode zones" in de zonnecel die geen stroom produceren.

"Dit was verrassend, " Zei Fenning. "Het hebben van deze dode zones zou typisch een zonnecel doden. Bij andere materialen, ze gedragen zich als zwarte gaten die elektronen uit andere regio's opzuigen en nooit meer loslaten, dus je verliest stroom en spanning.

"Maar in deze perovskieten, we zagen dat de dode zones rond rubidium en cesium niet al te schadelijk waren voor de prestaties van zonnecellen, hoewel er een stroomverlies was, "Zei Fenning. "Dit laat zien hoe robuust deze materialen zijn, maar ook dat er nog meer mogelijkheden zijn voor verbetering."

De bevindingen dragen bij aan het begrip van hoe de op perovskiet gebaseerde apparaten op nanoschaal werken en kunnen de basis leggen voor toekomstige verbeteringen.

"Deze materialen beloven zeer kosteneffectief en goed presterend te zijn, dat is ongeveer wat we nodig hebben om ervoor te zorgen dat fotovoltaïsche panelen op grote schaal worden ingezet, "Zei Correa-Baena. "We willen proberen de problemen van klimaatverandering te compenseren, dus het idee is om fotovoltaïsche cellen te hebben die zo goedkoop mogelijk zijn."