Een beschermende laag epoxyhars helpt het lekken van verontreinigende stoffen uit perovskiet-zonnecellen (PSC's) te voorkomen, volgens wetenschappers van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST). Door een "zelfherstellend" polymeer aan de bovenkant van een PSC toe te voegen, kan de hoeveelheid lood die het in het milieu afgeeft radicaal verminderen. Dit geeft een sterke impuls aan de vooruitzichten voor het commercialiseren van de technologie.

Nu de kooldioxidegehalten in de atmosfeer hun hoogste geregistreerde niveaus in de geschiedenis bereiken, en extreme weersomstandigheden blijven in aantal toenemen, de wereld stapt af van legacy-energiesystemen die afhankelijk zijn van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare energiebronnen zoals zonne-energie. Perovskiet-zonnetechnologie is veelbelovend, maar een belangrijke uitdaging voor commercialisering is dat het verontreinigende stoffen zoals lood in het milieu kan afgeven, vooral onder extreme weersomstandigheden.

"Hoewel PSC's efficiënt zijn in het omzetten van zonlicht in elektriciteit tegen een betaalbare prijs, het feit dat ze lood bevatten geeft aanleiding tot grote bezorgdheid over het milieu, " legt professor Yabing Qi uit, hoofd van de eenheid Energiematerialen en Oppervlaktewetenschappen, die de studie leidde, gepubliceerd in Natuur Energie .

"Hoewel de zogenaamde 'loodvrije' technologie het ontdekken waard is, het heeft nog geen efficiëntie en stabiliteit bereikt die vergelijkbaar is met op lood gebaseerde benaderingen. Manieren vinden om lood in PSC's te gebruiken en te voorkomen dat het in het milieu lekt, daarom, is een cruciale stap voor commercialisering."

Testen tot vernietiging

Het Qi-team, ondersteund door het Proof-of-Concept-programma van het OIST Technology Development and Innovation Center, verkende eerst inkapselingsmethoden voor het toevoegen van beschermende lagen aan PSC's om te begrijpen welke materialen het lekken van lood het beste kunnen voorkomen. Ze stelden cellen ingekapseld met verschillende materialen bloot aan vele omstandigheden die waren ontworpen om het soort weer te simuleren waaraan de cellen in werkelijkheid zouden worden blootgesteld.

Ze wilden de zonnecellen testen in een worstcasescenario, om de maximale loodlekkage te begrijpen die kan optreden. Eerst, ze sloegen de zonnecellen kapot met een grote bal, het nabootsen van extreme hagel die hun structuur zou kunnen afbreken en lood kan laten lekken. Volgende, ze overgoten de cellen met zuur water, om het regenwater te simuleren dat gelekt lood naar het milieu zou transporteren.

Met behulp van massaspectroscopie, het team analyseerde de zure regen om te bepalen hoeveel lood uit de cellen lekte. Ze ontdekten dat een epoxyharslaag slechts minimale lekkage van lood toestond - ordes van grootte lager dan de andere materialen.

Commerciële levensvatbaarheid mogelijk maken

Epoxyhars presteerde ook het beste onder een aantal weersomstandigheden waarin zonlicht, regenwater en temperatuur werden gewijzigd om de omgevingen te simuleren waarin PSC's moeten werken. In alle scenario's, inclusief extreme regen, epoxyhars presteerde beter dan concurrerende inkapselingsmaterialen.

Epoxyhars werkt zo goed vanwege zijn "zelfherstellende" eigenschappen. Nadat de structuur is beschadigd door hagel, bijvoorbeeld, het polymeer hervormt gedeeltelijk zijn oorspronkelijke vorm wanneer het wordt verwarmd door zonlicht. Dit beperkt de hoeveelheid lood die uit de cel lekt. Deze zelfherstellende eigenschap zou van epoxyhars de inkapselingslaag bij uitstek kunnen maken voor toekomstige fotovoltaïsche producten.

"Epoxyhars is zeker een sterke kandidaat, nog andere zelfherstellende polymeren zijn misschien nog beter, " legt Qi uit. "In dit stadium, we zijn verheugd om de normen voor de fotovoltaïsche industrie te promoten, en de veiligheid van deze technologie ter discussie te stellen. Volgende, we kunnen op deze gegevens voortbouwen om te bevestigen wat echt het beste polymeer is."

Voorbij loodlekkage, een andere uitdaging is om perovskietzonnecellen op te schalen naar perovskietzonnepanelen. Terwijl cellen slechts enkele centimeters lang zijn, panelen kunnen enkele meters overspannen, en zal relevanter zijn voor potentiële consumenten. Het team zal ook hun aandacht vestigen op de al lang bestaande uitdaging van de opslag van hernieuwbare energie.