De stabiliteit van een zeer efficiënt en goedkoop materiaal voor zonnecellen is nu tot twee ordes van grootte verbeterd. De materiële manipulaties die deze verbetering mogelijk maakten, werden ontwikkeld in een project dat werd ondersteund door het Oostenrijkse Wetenschapsfonds FWF - en hun "geheim" werd onlangs gepubliceerd in Nano-letters .

Loodhalogenideperovskieten zijn de lieveling van zonnecelonderzoek:het kristallijne materiaal wordt gebruikt voor kosteneffectieve productieprocessen en, overschrijding van de drempel van 20%, heeft in relatief korte tijd al enorme stroomconversie-efficiënties bereikt. Dit materiaal heeft nog steeds een fundamenteel nadeel, echter, en dat is zijn instabiliteit. Een recente ontdekking door een Erwin Schrödinger Fellow van de FWF, in samenwerking met Aaron Fafarman en een team van onderzoekers van de Drexel University in Philadelphia, ONS, heeft nu aangetoond dat deze instabiliteit aanzienlijk kan worden verminderd door hoge dotering met chloride-ionen.

Hoge dopingniveaus

David Egger, die wordt ondersteund door een Schrödinger Fellowship en gebaseerd is op de afdeling Materialen en Interfaces van het Weizmann Institute of Science in Israël, samen met zijn collega's ontdekten dat bepaalde perovskieten hoge niveaus van chloride-ionen (doping) kunnen bevatten - en dat dit de stabiliteit van het functionele materiaal onder bepaalde omstandigheden tot twee ordes van grootte verhoogt.

Egger legt uit:"We hebben cesium-lood-jodide-perovskieten onderzocht. Een probleem is de stabiliteit van de functionele fase van dit materiaal dat ons interesseert voor toepassingen:onder praktisch relevante omstandigheden, er treedt een faseovergang op en de uitstekende fotovoltaïsche eigenschappen gaan vrijwel onmiddellijk verloren."

Uit eerdere experimenten met perovskieten, waaronder chloride in plaats van jodide-ionen, zou men kunnen speculeren dat het doteren van het materiaal met chloride de stabiliteit ervan kan verbeteren. Echter, om dit in de praktijk te realiseren bleek zeer moeilijk.

Egger en zijn collega's kozen voor een interdisciplinaire benadering om te onderzoeken of chloridedoping een positief effect zou kunnen hebben op de stabiliteit van op cesium gebaseerde perovskieten:"We gebruikten atomistische simulaties om aan te tonen dat chloride-ionen mobiel zijn in het perovskietkristal, kan gemakkelijk in het gastheermateriaal worden opgenomen, en dat dit de mechanische stabiliteit zou verbeteren. Onze collega's ontwierpen een experimentele benadering om chloride in het perovskietmateriaal te introduceren, die ze bereikten door een chemisch sinterproces te gebruiken", Egger legt de internationale samenwerking uit tussen het Weizmann Institute in Israël en wetenschappers van de Drexel University en de University of Pennsylvania in de VS.

Verrassende resultaten

Bij het analyseren van de stabiliteit van het cesium-lood-jodide-chloride, het team was verrast. Aangezien loodhalogenideperovskieten doorgaans bijzonder onstabiel zijn in contact met water, het team bewaakte de materiaalstabiliteit van de nieuwe verbindingen bij verschillende vochtigheidsniveaus. Bij een relatieve luchtvochtigheid van 54 procent, de halfwaardetijd van de functionele fase van het nieuwe materiaal was zes keer langer dan die van controlemonsters zonder chloride. Bij een verlaagde luchtvochtigheid van elf procent, de halfwaardetijd werd zelfs nog langer. Egger zegt over de ontdekking:"De verbeterde halfwaardetijd van de functionele perovskietfase bij een relatieve vochtigheid van elf procent was zodanig dat we niet langer een faseovergang van de met chloride gedoteerde perovskiet konden detecteren binnen de maximaal mogelijke meettijd van onze apparaten, dat was 96 uur. Voor de ongedoteerde perovskiet, echter, dit ging veel sneller, wat aangeeft dat chloride-doping de halfwaardetijd met minstens 2 ordes van grootte verbeterde." De wetenschappers combineerden opnieuw hun resultaten van experiment en theorie om aan te tonen dat chloride-dopingniveaus van meer dan twee procent in het nieuw gecreëerde materiaal niet mogelijk zijn.

Het fundamentele inzicht van Egger en zijn collega's, ondersteund door de Erwin Schrödinger Fellowship van de FWF, kan nu worden gebruikt in nieuwe benaderingen om het enorme potentieel van perovskiet-zonnecellen in nog grotere capaciteit te benutten.