Een studie onder leiding van de KU Leuven legt voor het eerst uit hoe een veelbelovend type perovskieten - door de mens gemaakte kristallen die zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit - kan worden gestabiliseerd. Als resultaat, de kristallen worden zwart, waardoor ze zonlicht kunnen absorberen. Dit is nodig om ze te kunnen toepassen in nieuwe zonnepanelen die eenvoudig te maken en zeer efficiënt zijn. De studie is gepubliceerd in Wetenschap .

Perovskieten zijn halfgeleidermaterialen die veel toepassingen hebben. Ze tonen een bijzondere belofte bij het oogsten van zonne-energie. Momenteel, de meeste zonnecellen zijn gemaakt met siliciumkristallen, een relatief eenvoudig en effectief materiaal om voor dit doel te verwerken. Echter, op perovskiet gebaseerde apparaten bieden een hogere conversie-efficiëntie dan silicium. Het enige probleem:enkele van de meest veelbelovende perovskieten, namelijk cesiumloodtrijodide (CsPbI ₃ ), zijn zeer onstabiel bij kamertemperatuur. Onder deze voorwaarden, ze hebben een gele kleur, omdat de atomen in het kristal geen perovskietstructuur vormen. Om ervoor te zorgen dat de kristallen zonlicht efficiënt absorberen en omzetten in elektriciteit, ze moeten in het zwart zijn, perovskietstaat - en blijf dat zo.

"Silicium vormt een zeer sterke, stijf kristal. Als je erop drukt, het zal zijn vorm niet veranderen. Anderzijds, perovskieten zijn veel zachter en kneedbaarder, " legt Dr. Julian Steele van het KU Leuven Centrum voor Membraanscheiding uit, adsorptie, katalyse, en spectroscopie voor duurzame oplossingen (cMACS). "We kunnen ze onder verschillende laboratoriumomstandigheden stabiliseren, maar bij kamertemperatuur de zwarte perovskiet-atomen willen echt herschikken, structuur veranderen, en uiteindelijk wordt het kristal geel."

Samen met een internationaal team van wetenschappers, Steele ontdekte dat door een dunne film van perovskiet-zonnecellen aan een glasplaat te binden, de cellen kunnen hun gewenste zwarte toestand verkrijgen en behouden. De dunne film wordt verwarmd tot een temperatuur van 330 graden Celsius, waardoor de perovskieten uitzetten en aan het glas hechten. Na verwarming, de film wordt snel afgekoeld tot kamertemperatuur. Dit proces fixeert de atomen in de kristallen, hun beweging beperken, zodat ze in de gewenste zwarte vorm blijven.

“Er zijn drie pijlers die de kwaliteit van zonnecellen bepalen:prijs, stabiliteit, en prestaties. Perovskieten scoren hoog op prestatie en prijs, maar hun stabiliteit is nog steeds een groot probleem, ", zegt Steele. Wetenschappers observeerden al enkele jaren dat perovskieten hun zwartheid kunnen behouden na verwarming, maar het was nog onduidelijk waarom. "In onze studie we kozen voor CsPbI ₃ omdat zijn prestaties zeer hoog zijn, " Steel legt uit. "Bovendien, het is een van de meest onstabiele soorten perovskieten, wat betekent dat het gevoelig is voor de methode die we beschrijven, en zou moeten vertalen naar andere onstabiele perovskieten."

Veel van de gegevens die in het onderzoek zijn gebruikt, zijn verzameld in de European Synchrotron Radiation Facility. Om de experimentele waarnemingen op moleculaire schaal te begrijpen, collega's van het Centrum voor Moleculaire Modellering (CMM) van de Universiteit Gent ondersteunden de bevinding met theoretische simulaties van de zwarte en gele fasen van de perovskieten. De computationele resultaten waren nodig om te rationaliseren waarom de zwarte fase wordt gestabiliseerd wanneer deze als een dunne film op een glassubstraat wordt gefixeerd.

Hoe de hechting precies plaatsvindt, is nog steeds een mysterie, hoewel er hypothesen zijn. "Normaal gesproken, we zouden een microscoop met atomaire resolutie nemen en direct kijken. Echter, dat is onmogelijk met perovskieten, omdat ze moeilijk waar te nemen zijn met zo'n beeldvormingsinstrument met hoge resolutie, omdat ze zo zacht zijn en vatbaar zijn voor uiteenvallen onder de relatief hoge energie van gewone sondes."

"Begrijpen hoe dit mechanisme werkt, zal verder onderzoek helpen om uiteindelijk zonnepanelen te ontwikkelen die pure perovskietkristallen gebruiken, Steele zegt. "Omdat het instapniveau voor het verwerken van op perovskiet gebaseerde zonnecellen relatief laag is, ze kunnen zeer gunstig zijn voor mensen in ontwikkelingslanden die in een beperktere infrastructuur werken." perovskieten kunnen worden gebruikt in LED's, foto-elektrische sensoren, transistoren, Röntgendetectoren en meer.