De zoektocht naar duurzame energieopwekkingstechnologie heeft ertoe geleid dat onderzoekers verschillende materialen en hun combinaties in vele soorten apparaten hebben onderzocht. Een dergelijk synthetisch materiaal, perovskiet, is goedkoop en gemakkelijk te produceren, en kan worden gebruikt in zonnecellen. Perovskiet-zonnecellen hebben veel aandacht getrokken omdat hun energieconversie-efficiëntie (dat wil zeggen, hun efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit) is de afgelopen jaren drastisch verbeterd. Echter, het is vanwege een aantal problemen moeilijk gebleken om ze te implementeren voor grootschalige energieopwekking.

Een probleem waarmee perovskiet-zonnecellen worden geconfronteerd, is reproduceerbaarheid. Dit betekent dat het moeilijk is om consistent perovskiet-kristallagen te creëren die vrij zijn van defecten en gaten, wat betekent dat afwijkingen van ontwerpwaarden altijd kunnen voorkomen, die hun efficiëntie verminderen. Aan de zonnige kant, onderzoekers hebben ontdekt dat de efficiëntie van deze cellen kan worden verhoogd door perovskiet te combineren met koolstofnanobuisjes (CNT's). Het mechanisme waarmee CNT's en perovskiet aan elkaar binden en hoe dit de prestaties van CNT-perovskiet-zonnecellen beïnvloedt, is niet diepgaand bestudeerd. Vooral, het vermogen van pure CNT's om zich te binden aan perovskiet is niet erg goed, en dit zou de structurele en geleidende eigenschappen op het grensvlak van beide materialen in gevaar kunnen brengen.

Een team van Tokyo Tech onder leiding van prof. Keiko Waki ​​voerde een reeks experimenten uit op perovskiet-zonnecellen in combinatie met verschillende soorten CNT's in een poging om zowel hun prestaties en stabiliteit te verbeteren als de onderliggende mechanismen te begrijpen. Ze gebruikten niet alleen pure CNT's, maar ook CNT's die "zuurstofbevattende functionele groepen" in hun structuur droegen, waarvan bekend is dat ze de interactie tussen de CNT's en perovskiet versterken, wat resulteert in betere interfaces en verbetering van de kristallisatie van perovskiet.

Dit onderzoek bestond uit verschillende experimenten die inzicht verschaften in vele aspecten van CNT-perovskiet-interacties. Eerst, ze toonden de superieure elektrische prestaties van cellen met gefunctionaliseerde CNT's aan ten opzichte van die met pure CNT's en vonden bewijs dat grotere kristallen en minder oppervlaktedefecten optreden bij gebruik van gefunctionaliseerde CNT's. Vervolgens, het team concludeerde dat het perovskiet in de cellen een herkristallisatieproces zou ondergaan als het in het donker werd bewaard, en dat de aanwezigheid van de functionele groepen in CNT een significant effect op dit proces zou hebben. Dit werd bevestigd door de cellen meer dan twee maanden te bewaren en daarna hun elektrische eigenschappen te meten (Fig. 1).

"We hebben het zelfherkristallisatievermogen van perovskiet bij kamertemperatuur ontdekt, waarvan de morfologie sterk verbeterde na langdurige opslag. Echter, het meest interessante resultaat was het vermogen van gefunctionaliseerde CNT's om gebruik te maken van de zelf-herkristallisatie-aard om een ​​sterkere verbinding te vormen tussen de perovskiet en CNT's door de reconstructie, " zegt prof. Waki. Het meest opvallend is, de gefunctionaliseerde CNT's verbeterden het contact tussen de twee materialen aanzienlijk en de functionele groepen dienden als bescherming tegen aanvallen van vocht op de perovskiet, waardoor de zelfherkristallisatie en interface-reconstructie kunnen doorgaan zonder merkbare degradatie. Het onderzoeksteam ontdekte ook dat het herkristallisatieproces enorm kon worden versneld door de zonnecellen voortdurend te onderwerpen aan frequente metingen, maar dit tastte uiteindelijk hun stabiliteit aan en degradeerde hen.

Dergelijke diepgaande studies over perovskiet-zonnecellen en manieren om ze te verbeteren zijn zeer waardevol omdat ze ons dichter bij nieuwe bronnen van schone energie brengen. "We hopen dat deze studie bijdraagt ​​aan de productie van perovskieten met een hogere stabiliteit en reproduceerbaarheid, " concludeert prof. Waki. Deze bevindingen zullen dienen als een nieuwe opstap, zodat we perovskiet-zonnecellen kunnen zien als een sleuteltechnologie om onze planeet te behouden.