Zonnecellen gemaakt van perovskiet zijn veelbelovend voor de toekomst van zonne-energie. Het materiaal is goedkoop, gemakkelijk te produceren en bijna net zo efficiënt als silicium, het materiaal dat traditioneel in zonnecellen wordt gebruikt. Echter, perovskiet wordt snel afgebroken, waardoor de efficiëntie en stabiliteit in de loop van de tijd ernstig wordt beperkt. Onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven, energieonderzoeksinstituut DIFFER, Universiteit Peking en Universiteit Twente hebben ontdekt dat het toevoegen van een kleine hoeveelheid fluoride aan de perovskiet een beschermend laagje achterlaat, de stabiliteit van de materialen en de zonnecellen aanzienlijk verhogen. De zonnecellen behouden 90 procent van hun efficiëntie na 1000 uur gebruik onder verschillende extreme testomstandigheden. De bevindingen worden vandaag gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Natuur Energie .

Omdat ze zo goedkoop te maken zijn, perovskiet-zonnecellen stonden centraal in veel recent zonneonderzoek. Als gevolg hiervan, hun efficiëntie is gestegen van minder dan 4 procent in 2009 tot meer dan 24 procent nu, die dicht bij traditionele siliciumcellen ligt. Zogenaamde tandemcellen, die silicium- en perovskietcellen combineren, een efficiëntie van meer dan 28 procent behalen.

Ondanks dit succes, perovskiet heeft een aantal gebreken vanwege de aard van het materiaal en de manier waarop het is vervaardigd. Overuren, vacatures in de atomaire structuur van het metaalhalogenide leiden tot de afbraak van het perovskiet onder invloed van vocht, licht en warmte.

Beschermende laag

De onderzoekers in Eindhoven, Twente en Peking hebben geëxperimenteerd met een nieuw type perovskiet, door een kleine hoeveelheid fluoride toe te voegen aan het productieproces. Net als fluoride in tandpasta, de fluoride-ionen vormen een beschermende laag rond het kristal, het voorkomen van de verspreiding van de schadelijke defecten.

"Ons werk heeft de stabiliteit van perovskiet-zonnecellen aanzienlijk verbeterd, " zegt Shuxia Tao, universitair docent bij het Centre for Computational Energy Research, een gezamenlijk centrum van de faculteit Technische Natuurkunde van de TU/e ​​en DIFFER, en co-auteur van het artikel. "Onze cellen behouden 90 procent van hun efficiëntie na 1000 uur onder extreme licht- en hitteomstandigheden. Dit is vele malen zo lang als traditionele perovskietverbindingen. We bereiken een efficiëntie van 21,3 procent, dat is een zeer goed uitgangspunt voor verdere efficiëntiewinst."

Vanwege de hoge elektronegativiteit, fluoride stabiliseert het perovskietrooster door sterke waterstofbruggen en ionische bindingen op het oppervlak van het materiaal te vormen.

Veel van het werk van het team uit Eindhoven is besteed aan het uitleggen waarom fluoride zo'n effectief ingrediënt is in vergelijking met andere halogenen. Met behulp van computersimulaties concluderen ze dat een deel van het succes te danken is aan de kleine omvang en hoge elektronegativiteit van fluoride-ionen. Hoe hoger de elektronegativiteit van een element, hoe gemakkelijker het elektronen van naburige elementen aantrekt. Dit helpt fluoride-ionen om sterke bindingen te vormen met de andere elementen in de perovskietverbinding, vormt een stabiele beschermlaag.

Toekomstig onderzoek

De studie wordt gezien als een belangrijke stap naar de succesvolle implementatie van perovskiet-zonnecellen in de toekomst. Echter, er is nog veel werk aan de winkel. De gouden standaard in de zonne-energie-industrie is een retentiepercentage van ten minste 85 procent van de oorspronkelijke efficiëntie na tien tot vijftien jaar, een standaard die nog ver weg is voor perovskietcellen.

"We verwachten dat het nog vijf tot tien jaar zal duren voordat deze cellen een commercieel levensvatbaar product worden. We moeten niet alleen hun efficiëntie en stabiliteit verder verbeteren, maar we moeten ook een beter theoretisch begrip krijgen van de relevante mechanismen op atomaire schaal. We hebben nog steeds niet alle antwoorden op de vraag waarom sommige materialen effectiever zijn dan andere in het verhogen van de stabiliteit op lange termijn van deze cellen, ' zegt Tao.