Onderzoekers van de Northern Illinois University en het National Renewable Energy Laboratory (NREL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) in Golden, Colorado, rapporteren vandaag (19 februari) in het tijdschrift Natuur over een mogelijke doorbraak in de ontwikkeling van hybride perovskiet-zonnecellen.

Beschouwd als rijzende sterren op het gebied van zonne-energie, perovskiet zonnecellen zetten licht om in elektriciteit. Ze zijn mogelijk goedkoper en eenvoudiger te produceren dan traditionele zonnecellen op basis van silicium en, in ieder geval op kleine schaal in laboratoriumomgevingen, vergelijkbare efficiëntieniveaus hebben aangetoond. Maar er blijven belangrijke uitdagingen voordat ze een concurrerende commerciële technologie kunnen worden.

Een grote uitdaging is het gebruik van lood. De meeste best presterende hybride perovskiet-zonnecellen bevatten in water oplosbaar lood, bezorgdheid geuit over mogelijke lekkage van beschadigde cellen.

Onder leiding van Tao Xu van NIU en Kai Zhu van NREL, een team van wetenschappers heeft een techniek ontwikkeld om het lood dat wordt gebruikt om perovskiet-zonnecellen te maken, vast te leggen en mogelijke toxische lekkage te minimaliseren door loodabsorberende films aan de voor- en achterkant van de zonnecel aan te brengen.

"Het probleem van loodtoxiciteit is een van de meest irritante, last-mile-uitdagingen op het gebied van perovskiet-zonnecellen, " zei Xu, een NIU hoogleraar scheikunde. "We denken dat we een veelbelovende oplossing voor dit probleem hebben - en het zou een game-changer kunnen zijn.

"In het geval van een beschadigde cel, ons apparaat vangt de grote meerderheid van de leiding, voorkomen dat het uitspoelt naar het grondwater en de bodem. De films die we gebruiken zijn onoplosbaar in water."

Onder omstandigheden van ernstige zonnecelschade in een laboratoriumomgeving, de loodabsorberende films sekwestreerden 96% van de loodlekkage, zeiden de wetenschappers. Hun experimenten geven verder aan dat de loodabsorberende lagen geen negatieve invloed hebben op de celprestaties of de stabiliteit op de lange termijn.

Perovskiet-zonnecellen worden zo genoemd omdat ze een klasse kristalstructuren gebruiken die vergelijkbaar zijn met die in het mineraal dat bekend staat als perovskiet. De perovskiet-gestructureerde verbinding in deze zonnecellen is meestal een hybride organisch-anorganisch materiaal op basis van loodhalogenide.

Wetenschappers begonnen deze kristalstructuren pas ongeveer tien jaar geleden te bestuderen voor gebruik in zonnecellen en hebben hun efficiëntie voor de omzetting van zonne-energie snel verhoogd. Terwijl traditionele siliciumzonnecellen worden geproduceerd met nauwkeurige processen met hoge temperaturen, perovskieten kunnen worden gemaakt met behulp van chemische oplossingen op kamertemperatuur.

De nieuw ontwikkelde "vastleggingsaanpak op het apparaat" kan gemakkelijk worden geïntegreerd in de huidige configuraties van perovskiet-zonnecellen, zei Xu.

Op een geleidend glas aan de voorzijde van de zonnecel wordt een transparante loodabsorberende film aangebracht. De sekwestratiefilm bevat sterke loodbindende fosfonzuurgroepen, maar belemmert de celopname van licht niet. Een goedkopere polymeerfilm gemengd met lood-chelaatvormers wordt gebruikt op de achterste metalen elektrode, die geen behoefte heeft aan transparantie.

"De materialen zijn kant-en-klaar, maar ze werden nooit voor dit doel gebruikt, "Zei Xu. "Licht moet de cel binnenkomen om te worden geabsorbeerd door de perovskietlaag, en de film aan de voorkant werkt eigenlijk als een antireflectiemiddel, de transparantie een beetje verbeteren."

Tests voor loodlekkage omvatten het hameren en verbrijzelen van het glas aan de voorzijde van cellen van 2,5 x 2,5 cm, en krassen op de achterkant van de zonnecellen met een scheermesje, voordat u ze in water onderdompelt. De films kunnen het overgrote deel van het lood absorberen in ernstig beschadigde cellen als gevolg van binnendringend water.

"Het is vermeldenswaard dat de aangetoonde aanpak van loodvastlegging ook van toepassing is op andere op perovskiet gebaseerde technologieën zoals solid-state verlichting, display- en sensortoepassingen, " zei Zhu, een senior wetenschapper bij NREL.