Perovskieten zijn veelbelovend voor het maken van zonnepanelen die gemakkelijk op de meeste oppervlakken kunnen worden geplaatst, inclusief flexibele en getextureerde. Deze materialen zouden ook licht van gewicht, goedkoop te produceren en even efficiënt zijn als de huidige toonaangevende fotovoltaïsche materialen, die voornamelijk uit silicium bestaan. Ze zijn het onderwerp van toenemend onderzoek en investeringen, maar bedrijven die hun potentieel willen benutten, moeten enkele resterende hindernissen overwinnen voordat op perovskiet gebaseerde zonnecellen commercieel concurrerend kunnen zijn.

De term perovskiet verwijst niet naar een specifiek materiaal, zoals silicium of cadmiumtelluride, andere toonaangevende kanshebbers in het fotovoltaïsche rijk, maar naar een hele familie van verbindingen. De perovskietfamilie van zonnematerialen is genoemd naar zijn structurele gelijkenis met een mineraal genaamd perovskiet, dat in 1839 werd ontdekt en vernoemd naar de Russische mineraloog L.A. Perovski.

Het oorspronkelijke mineraal perovskiet, namelijk calciumtitaniumoxide (CaTiO₃ ), heeft een kenmerkende kristalconfiguratie. Het heeft een driedelige structuur, waarvan de componenten A, B en X zijn gaan heten, waarin roosters van de verschillende componenten zijn verweven. De familie van perovskieten bestaat uit de vele mogelijke combinaties van elementen of moleculen die elk van de drie componenten kunnen bezetten en een structuur kunnen vormen die lijkt op die van de oorspronkelijke perovskiet zelf. (Sommige onderzoekers buigen de regels zelfs een beetje om door andere kristalstructuren met vergelijkbare elementen "perovskieten" te noemen, hoewel dit door kristallografen wordt afgekeurd.)

"Je kunt atomen en moleculen in de structuur mixen en matchen, met enkele limieten. Als je bijvoorbeeld een te groot molecuul in de structuur probeert te proppen, vervorm je het. Uiteindelijk zou je ervoor kunnen zorgen dat het 3D-kristal in een 2D-gelaagde structuur, of de geordende structuur volledig verliezen", zegt Tonio Buonassisi, hoogleraar werktuigbouwkunde aan het MIT en directeur van het Photovoltaics Research Laboratory. "Perovskieten zijn zeer afstembaar, zoals een soort kristalstructuur die je zelf kunt bouwen", zegt hij.

Die structuur van verweven roosters bestaat uit ionen of geladen moleculen, twee (A en B) positief geladen en de andere (X) negatief geladen. De A- en B-ionen hebben meestal een heel verschillende grootte, waarbij de A groter is.

Binnen de algemene categorie perovskieten zijn er een aantal soorten, waaronder metaaloxideperovskieten, die toepassingen hebben gevonden in katalyse en in energieopslag en -conversie, zoals in brandstofcellen en metaal-luchtbatterijen. Maar volgens Buonassisi ligt het zwaartepunt van de onderzoeksactiviteiten al meer dan tien jaar op loodhalogenideperovskieten.

Binnen die categorie is er nog steeds een legio aan mogelijkheden, en laboratoria over de hele wereld racen door het vervelende werk om de variaties te vinden die de beste prestaties leveren op het gebied van efficiëntie, kosten en duurzaamheid - wat tot nu toe de meest uitdagende was van de drie.

Veel teams hebben zich ook gericht op variaties die het gebruik van lood elimineren, om de impact op het milieu te voorkomen. Buonassisi merkt echter op dat "de op lood gebaseerde apparaten in de loop van de tijd consistent blijven verbeteren in hun prestaties, en geen van de andere composities kwam in de buurt van elektronische prestaties." Er wordt verder gewerkt aan het verkennen van alternatieven, maar voorlopig kan geen enkele concurreren met de loodhalogenide-versies.

Een van de grote voordelen die perovskieten bieden, is hun grote tolerantie voor defecten in de structuur, zegt hij. In tegenstelling tot silicium, dat een extreem hoge zuiverheid vereist om goed te kunnen functioneren in elektronische apparaten, kunnen perovskieten goed functioneren, zelfs met talloze onvolkomenheden en onzuiverheden.

Zoeken naar veelbelovende nieuwe kandidaat-composities voor perovskieten is een beetje zoeken naar een speld in een hooiberg, maar recentelijk hebben onderzoekers een machine learning-systeem bedacht dat dit proces sterk kan stroomlijnen. Deze nieuwe aanpak zou kunnen leiden tot een veel snellere ontwikkeling van nieuwe alternatieven, zegt Buonassisi, die medeauteur was van dat onderzoek.

Hoewel perovskieten veelbelovend blijven en verschillende bedrijven zich al voorbereiden op commerciële productie, blijft duurzaamheid het grootste obstakel waarmee ze worden geconfronteerd. Terwijl siliciumzonnepanelen na 25 jaar tot 90 procent van hun vermogen behouden, worden perovskieten veel sneller afgebroken. Er is grote vooruitgang geboekt:de eerste monsters duurden slechts een paar uur, daarna weken of maanden, maar nieuwere formuleringen hebben een bruikbare levensduur tot enkele jaren, wat geschikt is voor sommige toepassingen waarbij een lange levensduur niet essentieel is.

Vanuit een onderzoeksperspectief, zegt Buonassisi, is een voordeel van perovskieten dat ze relatief eenvoudig te maken zijn in het laboratorium - de chemische bestanddelen assembleren gemakkelijk. Maar dat is ook hun keerzijde:"Het materiaal gaat heel gemakkelijk samen bij kamertemperatuur", zegt hij, "maar het valt ook heel gemakkelijk uit elkaar bij kamertemperatuur. Easy come, easy go!"

Om dat probleem aan te pakken, richten de meeste onderzoekers zich op het gebruik van verschillende soorten beschermende materialen om de perovskiet in te kapselen en te beschermen tegen blootstelling aan lucht en vocht. Maar anderen bestuderen de exacte mechanismen die tot die afbraak leiden, in de hoop formuleringen of behandelingen te vinden die inherent robuuster zijn. Een belangrijke bevinding is dat een proces dat autokatalyse wordt genoemd grotendeels verantwoordelijk is voor de storing.

Bij autokatalyse, zodra een deel van het materiaal begint af te breken, fungeren de reactieproducten ervan als katalysatoren om de aangrenzende delen van de structuur af te breken, en een op hol geslagen reactie komt op gang. Een soortgelijk probleem bestond in het vroege onderzoek naar sommige andere elektronische materialen, zoals organische lichtemitterende diodes (OLED's), en werd uiteindelijk opgelost door extra zuiveringsstappen aan de grondstoffen toe te voegen, dus een vergelijkbare oplossing kan worden gevonden in het geval van perovskieten, suggereert Buonassisi.

Buonassisi en zijn mede-onderzoekers hebben onlangs een studie afgerond waaruit blijkt dat wanneer perovskieten een bruikbare levensduur van ten minste tien jaar hebben bereikt, dankzij hun veel lagere initiële kosten, voldoende zouden zijn om ze economisch levensvatbaar te maken als vervanging voor silicium in grote, gebruiksvriendelijke schaal zonneparken.

Over het algemeen is de vooruitgang in de ontwikkeling van perovskieten indrukwekkend en bemoedigend geweest, zegt hij. Met slechts een paar jaar werk heeft het al efficiëntie bereikt die vergelijkbaar is met niveaus die cadmiumtelluride (CdTe), "dat al veel langer bestaat, nog steeds moeite heeft om te bereiken", zegt hij. "Het gemak waarmee deze hogere prestaties in dit nieuwe materiaal worden bereikt, is bijna bedwelmend." Als hij de hoeveelheid onderzoekstijd vergelijkt die is besteed om een ​​efficiëntieverbetering van 1 procent te bereiken, zegt hij, is de vooruitgang op perovskieten ergens tussen de 100 en 1000 keer sneller dan die op CdTe. "Dat is een van de redenen waarom het zo spannend is", zegt hij.