Een nadere blik op de materialen waaruit conventionele zonnecellen bestaan, onthult een bijna starre rangschikking van atomen met weinig beweging. Maar in hybride perovskieten, een veelbelovende klasse van zonnecelmaterialen, de arrangementen zijn flexibeler en atomen dansen wild rond, een effect dat de prestaties van de zonnecellen beïnvloedt, maar moeilijk te meten was.

In een paper gepubliceerd in de Proceedings van de National Academy of Sciences , een internationaal team van onderzoekers onder leiding van het SLAC National Accelerator Laboratory van het Amerikaanse ministerie van Energie heeft een nieuw begrip ontwikkeld van die wilde dansen en hoe ze het functioneren van perovskietmaterialen beïnvloeden. De resultaten kunnen verklaren waarom perovskiet-zonnecellen zo efficiënt zijn en helpen bij het ontwerpen van zonnecellen met warme dragers, een theoretische technologie die de efficiëntiegrenzen van conventionele zonnecellen bijna zou verdubbelen door meer zonlicht om te zetten in bruikbare elektrische energie.

Stukje van de puzzel

Perovskiet zonnecellen, die bij kamertemperatuur kan worden geproduceerd, een goedkoper en potentieel beter presterend alternatief bieden voor conventionele zonnecelmaterialen zoals silicium, die bij extreem hoge temperaturen moeten worden vervaardigd om defecten te elimineren. Maar een gebrek aan begrip over wat perovskietmaterialen zo efficiënt maakt in het omzetten van zonlicht in elektriciteit, is een grote hindernis geweest bij het produceren van nog efficiëntere perovskietzonnecellen.

"Het is pas in de afgelopen vijf of zes jaar dat mensen deze intense interesse in perovskietmaterialen op zonne-energie hebben ontwikkeld, " zegt Mike Toney, een vooraanstaande stafwetenschapper bij SLAC's Stanford Synchrotron Radiation Light Source (SSRL), die het onderzoek leidde. "Als gevolg daarvan veel van de fundamentele kennis over wat ervoor zorgt dat de materialen werken, ontbreekt. In dit onderzoek, we hebben een belangrijk stukje van deze puzzel geleverd door te laten zien wat hen onderscheidt van meer conventionele zonnecelmaterialen. Dit geeft ons wetenschappelijke onderbouwing waarmee we op een rationele manier kunnen beginnen met het engineeren van deze materialen."

Het warm houden

Als zonlicht een zonnecel raakt, een deel van de energie kan worden gebruikt om elektronen in het materiaal naar hogere energietoestanden te schoppen. Deze hogere energie elektronen worden uit het materiaal geleid, elektriciteit produceren.

Maar voordat dit gebeurt, een groot deel van de zonne-energie gaat verloren aan warmte, waarbij een deel ook verloren gaat tijdens de winning van bruikbare energie of door inefficiënte lichtverzameling. In veel conventionele zonnecellen, zoals die gemaakt met silicium, akoestische fononen - een soort geluidsgolf die zich door materiaal voortplant - zijn de belangrijkste manier waarop deze warmte door het materiaal wordt gedragen. De energie die het elektron als warmte verliest, beperkt de efficiëntie van de zonnecel.

In dit onderzoek, theoretici uit het Verenigd Koninkrijk, onder leiding van Imperial College Professor Aron Walsh en elektronische structuurtheoretici Jonathan Skelton en Jarvist Frost, bood een theoretisch kader voor het interpreteren van de experimentele resultaten. Ze voorspelden dat akoestische fononen die door perovskieten reizen een korte levensduur zouden hebben als gevolg van de flexibele rangschikkingen van dansende atomen en moleculen in het materiaal.

Stanford-chemici Hema Karunadasa en Ian Smith waren in staat om de grote, gespecialiseerde eenkristallen die essentieel waren voor dit werk. Met de hulp van Peter Gehring, een natuurkundige bij het NIST Center for Neutron Research, het team verspreidde neutronen van deze perovskiet-eenkristallen op een manier waardoor ze de beweging van de atomen en moleculen in het materiaal konden volgen. Hierdoor konden ze nauwkeurig de levensduur van de akoestische fononen meten.

Het onderzoeksteam ontdekte dat in perovskieten, akoestische fononen zijn ongelooflijk van korte duur, slechts 10 tot 20 biljoenste van een seconde overleven. Zonder dat deze fononen warmte door het materiaal transporteren, de elektronen kunnen heet blijven en hun energie vasthouden terwijl ze uit het materiaal worden getrokken. Het benutten van dit effect kan mogelijk leiden tot hot-carrier zonnecellen met een efficiëntie die bijna twee keer zo hoog is als die van conventionele zonnecellen.

In aanvulling, dit fenomeen zou kunnen verklaren hoe perovskiet-zonnecellen zo goed werken, ondanks dat het materiaal bezaaid is met defecten die elektronen zouden opsluiten en de prestaties in andere materialen zouden dempen.

"Aangezien fononen in perovskieten niet ver reizen, ze verwarmen uiteindelijk het gebied rond de elektronen, die de elektronen de boost zou kunnen geven die ze nodig hebben om aan de vallen te ontsnappen en vrolijk verder te gaan, ' zegt Toon.

Energieproductie transformeren

Om dit onderzoek op te volgen, onderzoekers van het Centre for Hybrid Organic-Inorganic Semiconductors for Energy (CHOISE) Energy Frontier Research Center onder leiding van het National Renewable Energy Laboratory van DOE zullen dit fenomeen onderzoeken in meer gecompliceerde perovskietmaterialen waarvan is aangetoond dat ze efficiënter zijn in energie-apparaten. Ze willen uitzoeken hoe het veranderen van de chemische samenstelling van het materiaal de levensduur van akoestische fononen beïnvloedt.

"We moeten ons energiesysteem zo snel mogelijk fundamenteel transformeren, " zegt Aryeh Gold-Parker, die de studie mede leidde als een Ph.D. student aan Stanford University en SLAC. "Terwijl we op weg zijn naar een koolstofarme toekomst, een heel belangrijk onderdeel is het hebben van goedkope en efficiënte zonnecellen. De hoop in perovskieten is dat ze zullen leiden tot commerciële zonnepanelen die efficiënter en goedkoper zijn dan de huidige op de markt."