Onderzoek geleid door een Brown University Ph.D. student heeft een nieuwe manier onthuld om lichtabsorberende perovskietfilms te maken voor gebruik in zonnecellen.

De nieuwe methode omvat een oplosmiddelbad op kamertemperatuur om perovskietkristallen te creëren, in plaats van de explosie van warmte die wordt gebruikt in de huidige kristallisatiemethoden. Een studie gepubliceerd in de Royal Society of Chemistry's Journal of Materials Chemistry A laat zien dat de techniek hoogwaardige kristallijne films produceert met nauwkeurige controle over de dikte over grote gebieden, en zou de weg kunnen wijzen naar massaproductiemethoden voor perovskietcellen.

Perovskieten, een klasse van kristallijne materialen, hebben voor veel opschudding gezorgd in de wereld van schone energie. Perovskietfilms zijn uitstekende lichtabsorbers en veel goedkoper om te maken dan de siliciumwafels die in standaard zonnecellen worden gebruikt. De efficiëntie van perovskietcellen - het percentage zonlicht dat wordt omgezet in elektriciteit - is in slechts een paar jaar tijd enorm toegenomen. De eerste perovskietcellen die in 2009 werden geïntroduceerd, behaalden een efficiëntie van slechts ongeveer 4 procent, een verre schreeuw van de efficiëntie van 25 procent die wordt opgeschept door standaard siliciumcellen. Maar vorig jaar, perovskietcellen waren gecertificeerd met een efficiëntie van meer dan 20 procent. Die snelle prestatieverbetering is veelbelovend, en onderzoekers haasten zich om perovskietcellen te gaan gebruiken in commerciële producten.

Er zijn een aantal verschillende manieren om de films te maken, maar bijna allemaal hebben ze warmte nodig. Perovskiet-precursorchemicaliën worden opgelost in een oplossing, die vervolgens op een ondergrond wordt aangebracht. Er wordt warmte toegepast om het oplosmiddel te verwijderen, waardoor de perovskietkristallen zich in een film over het substraat vormen.

"Mensen hebben goede films gemaakt over relatief kleine oppervlakten - een fractie van een vierkante centimeter of zo. Maar ze moesten naar temperaturen van 100 tot 150 graden Celsius, en dat verhittingsproces veroorzaakt een aantal problemen, " zei Nitin Padture, hoogleraar engineering en directeur van het Institute for Molecular and Nanoscale Innovation.

Bijvoorbeeld, de kristallen vormen vaak ongelijk bij warmtebehandeling, kleine gaatjes in de film achterlaten. In een zonnecel, die gaatjes kunnen de efficiëntie verminderen. Warmte beperkt ook de substraten waarop films kunnen worden afgezet. Flexibele kunststof ondergronden, bijvoorbeeld, kunnen niet worden gebruikt omdat ze door hoge temperaturen worden beschadigd.

Yuanyuan Zhou, een afgestudeerde student in Padture's lab, wilde zien of er een manier was om perovskietkristal dunne films te maken zonder warmte toe te passen. Hij bedacht wat bekend staat als een oplosmiddel-oplosmiddelextractie (SSE) -aanpak.

In zijn methode perovskiet-precursoren worden opgelost in een oplosmiddel genaamd NMP en op een substraat gecoat. Vervolgens, in plaats van verwarming, het substraat wordt gebaad in diethylether (DEE), een tweede oplosmiddel dat selectief het NMP-oplosmiddel grijpt en wegvaagt. Wat overblijft is een ultragladde film van perovskietkristallen.

Omdat er geen verwarming aan te pas komt, de kristallen kunnen op vrijwel elk substraat worden gevormd, zelfs warmtegevoelige polymeersubstraten die worden gebruikt in flexibele fotovoltaïsche energie. Een ander voordeel is dat het hele SSE-kristallisatieproces minder dan twee minuten duurt, vergeleken met een uur of meer voor warmtebehandeling. Dat maakt het proces meer vatbaar voor massaproductie, omdat het kan worden gedaan in een soort lopende band.

De SSE-benadering maakt het ook mogelijk om films zeer dun te maken met behoud van hoge kwaliteit. Standaard perovskietfilms zijn over het algemeen in de orde van 300 nanometer dik. Maar Zhou is erin geslaagd om films van hoge kwaliteit te maken die zo dun zijn als 20 nanometer. De SSE-films kunnen ook groter worden gemaakt - enkele centimeters in het vierkant - zonder gaatjes te genereren.

"Met behulp van de andere methoden, wanneer de dikte onder de 100 nanometer komt, kun je de film nauwelijks volledig afdekken, "Zei Zhou. "Je kunt een film maken, maar je krijgt veel gaatjes. In ons proces, je kunt de film gelijkmatig vormen tot 20 nanometer omdat de kristallisatie bij kamertemperatuur veel evenwichtiger is en direct over de hele film plaatsvindt bij het baden."

Die ultradunne films zijn gedeeltelijk transparant (films van standaarddikte zijn zwart en ondoorzichtig), zodat ze kunnen worden gebruikt om fotovoltaïsche ramen te maken, zeggen de onderzoekers. En door de samenstelling van de perovskiet-precursoroplossing aan te passen, Zhou heeft cellen in verschillende kleuren kunnen maken.

"Deze kunnen mogelijk worden gebruikt voor decoratieve, in het gebouw geïntegreerde ramen die stroom kunnen leveren, ' zei Padtuur.

De groep is van plan meer werk te doen om het proces te verfijnen, maar ze worden aangemoedigd door de vroege resultaten. In samenwerking met wetenschappers van het National Renewable Energy Laboratory in Colorado, eerste testen van cellen gemaakt met SSE-films toonden een conversie-efficiëntie van meer dan 15 procent. Zonnecellen op basis van semitransparante 80-nanometerfilms die met het proces zijn gemaakt, bleken een hoger rendement te hebben dan elke andere ultradunne film.

"We denken dat dit een belangrijke stap kan zijn in de richting van een verscheidenheid aan commercieel verkrijgbare perovskietcelproducten, ' zei Padtuur.