Ingenieurs van Rice University zeggen dat ze een al lang bestaand raadsel hebben opgelost bij het maken van stabiele, efficiënte zonnepanelen van halide-perovskieten.

Er was het juiste oplosmiddelontwerp voor nodig om een ​​2D-toplaag met de gewenste samenstelling en dikte aan te brengen zonder de 3D-onderlaag te vernietigen (of omgekeerd). Zo'n cel zou meer zonlicht in elektriciteit omzetten dan een van beide lagen op zich, met een betere stabiliteit.

Chemisch en biomoleculair ingenieur Aditya Mohite en zijn laboratorium aan de George R. Brown School of Engineering van Rice rapporteerden in Science hun succes bij het bouwen van dunne 3D/2D-zonnecellen die een energieconversie-efficiëntie van 24,5% leveren.

Dat is net zo efficiënt als de meeste commercieel beschikbare zonnecellen, zei Mohite.

"Dit is echt goed voor flexibele, bifaciale cellen waar licht van beide kanten binnenkomt en ook voor cellen die met de rug in contact komen", zei hij. "De 2D-perovskieten absorberen blauwe en zichtbare fotonen, en de 3D-kant absorbeert bijna-infrarood."

Perovskieten zijn kristallen met kubusvormige roosters waarvan bekend is dat ze efficiënte lichte oogstmachines zijn, maar de materialen hebben de neiging om te worden belast door licht, vochtigheid en hitte. Mohite en vele anderen hebben jarenlang gewerkt om perovskiet-zonnecellen praktisch te maken.

De nieuwe vooruitgang, zei hij, verwijdert grotendeels de laatste grote wegversperring voor commerciële productie.

"Dit is significant op meerdere niveaus," zei Mohite. "Een daarvan is dat het een fundamentele uitdaging is om een ​​in een oplossing verwerkte dubbellaag te maken als beide lagen van hetzelfde materiaal zijn. Het probleem is dat ze allebei oplossen in dezelfde oplosmiddelen.

"Als je een 2D-laag op een 3D-laag legt, vernietigt het oplosmiddel de onderliggende laag," zei hij. "Maar onze nieuwe methode lost dit op."

Mohite zei dat 2D-perovskietcellen stabiel zijn, maar minder efficiënt in het omzetten van zonlicht. 3D-perovskieten zijn efficiënter maar minder stabiel. Door ze te combineren, worden de beste eigenschappen van beide gecombineerd.

"Dit leidt tot zeer hoge efficiëntie omdat we nu, voor het eerst in het veld, in staat zijn om lagen te creëren met enorme controle," zei hij. "Het stelt ons in staat om de stroom van lading en energie te regelen, niet alleen voor zonnecellen, maar ook voor opto-elektronische apparaten en LED's."

De efficiëntie van testcellen die gedurende meer dan 2000 uur worden blootgesteld aan het laboratoriumequivalent van 100% zonlicht "verslechtert zelfs niet met 1%", zei hij. Een glassubstraat niet meegerekend, waren de cellen ongeveer 1 micron dik.

Oplossingsverwerking wordt veel gebruikt in de industrie en omvat een reeks technieken - spincoating, dompelcoating, bladcoating, sleufmatrijscoating en andere - om materiaal op een oppervlak in een vloeistof af te zetten. Wanneer de vloeistof verdampt, blijft de pure coating achter.

De sleutel is een balans tussen twee eigenschappen van het oplosmiddel zelf:de diëlektrische constante en het Gutmann-donorgetal. De diëlektrische constante is de verhouding van de elektrische permeabiliteit van het materiaal tot zijn vrije ruimte. Dat bepaalt hoe goed een oplosmiddel een ionische verbinding kan oplossen. Het donorgetal is een maat voor het elektronendonerende vermogen van de oplosmiddelmoleculen.

"Als je de correlatie tussen hen vindt, zul je zien dat er ongeveer vier oplosmiddelen zijn waarmee je perovskieten kunt oplossen en ze kunt spincoaten zonder de 3D-laag te vernietigen," zei Mohite.

Hij zei dat hun ontdekking compatibel moet zijn met roll-to-roll-productie die doorgaans 30 meter zonnecel per minuut produceert.

"Deze doorbraak leidt voor de eerste keer tot heterostructuren van perovskietapparaten die meer dan één actieve laag bevatten", zegt co-auteur Jacky Even, hoogleraar natuurkunde aan het National Institute of Science and Technology in Rennes, Frankrijk. "De droom van het ontwerpen van complexe halfgeleiderarchitecturen met perovskieten staat op het punt uit te komen. Nieuwe toepassingen en de verkenning van nieuwe fysieke fenomenen zullen de volgende stappen zijn."

"Dit heeft niet alleen gevolgen voor zonne-energie, maar ook voor groene waterstof, met cellen die energie kunnen produceren en omzetten in waterstof", zei Mohite. "Het kan ook zonne-energie buiten het elektriciteitsnet mogelijk maken voor auto's, drones, in gebouwen geïntegreerde fotovoltaïsche energie of zelfs landbouw."

Rijst afgestudeerde student Siraj Sidhik is hoofdauteur van het artikel. + Verder verkennen

Grote sprong voorwaarts voor stabiele perovskietzonnecellen met hoog rendement