Hoewel de energieconversie-efficiëntie van perovskiet-zonnecellen (PVSC's) - een toekomst van zonnecellen - de afgelopen tien jaar al sterk is verbeterd, de problemen van instabiliteit en mogelijke gevolgen voor het milieu moeten nog worden overwonnen. Onlangs, wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) hebben een nieuwe methode ontwikkeld die tegelijkertijd de lekkage van lood uit PVSC's en het stabiliteitsprobleem kan aanpakken zonder afbreuk te doen aan de efficiëntie, de weg vrijmaakt voor real-life toepassing van perovskiet fotovoltaïsche technologie.

Het onderzoeksteam wordt mede geleid door professor Alex Jen Kwan-yue, CityU's provoost en voorzitter hoogleraar chemie en materiaalkunde, samen met professor Xu Zhengtao en Dr. Zhu Zonglong van de afdeling Chemie. Hun onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie , getiteld "2-D metaal-organisch raamwerk voor stabiele perovskiet-zonnecellen met minimale loodlekkage."

Momenteel, de hoogste energieconversie-efficiëntie van PVSC's is vergelijkbaar met die van de ultramoderne zonnecellen op siliciumbasis. Echter, de gebruikte perovskieten bevatten een loodcomponent die aanleiding geeft tot bezorgdheid over mogelijke milieuverontreiniging. "Naarmate de zonnecel ouder wordt, de loodsoort kan door de apparaten lekken, bijv. door regenwater in de bodem, een toxiciteitsbedreiging voor het milieu vormen, ", legt professor Jen uit, een expert in PVSC's. "Om PVSC's op grote schaal commercieel te gebruiken, het vereist niet alleen een hoge stroomconversie-efficiëntie, maar ook langdurige apparaatstabiliteit en een minimale impact op het milieu."

Samenwerken met professor Xu wiens expertise materiaalsynthese is, Professor Jen en Dr. Zhu leidden het team om de bovenstaande uitdagingen te overwinnen door tweedimensionale (2-D) metaal-organische raamwerken (MOF's) toe te passen op PVSC's. "Wij zijn het eerste team dat PVSC-apparaten fabriceert met minimale loodlekkage, goede stabiliteit op lange termijn en hoge efficiëntie van de stroomconversie tegelijkertijd, " Professor Jen vatte hun onderzoeksdoorbraak samen.

Multifunctionele MOF-laag

Metaal-organische raamwerk (MOF) materialen zijn eerder toegepast als steigers om de groei van perovskieten te modelleren. Wetenschappers hebben ze ook gebruikt als additieven of oppervlaktemodificatoren om de defecten van perovskieten te passiveren (om de reactiviteit van het materiaaloppervlak te verminderen) om de prestaties en stabiliteit van het apparaat te verbeteren.

Echter, de meeste 3D MOF's zijn behoorlijk elektrisch isolerend met een lage mobiliteit van de ladingdrager, daarom ongeschikt om te worden gebruikt als ladingtransporterend materiaal.

Maar de MOF's die zijn opgesteld door professor Xu zijn anders. Ze zijn honingraatachtig, 2-D structuur uitgerust met talrijke thiolgroepen als sleutelfunctionaliteit. Ze beschikken over geschikte energieniveaus, waardoor ze een elektronenextractielaag kunnen zijn (ook wel "elektronenverzamelingslaag" genoemd) waar elektronen uiteindelijk worden verzameld door de elektrode van de PVSC's. "Onze moleculair gemanipuleerde MOF's hebben de eigenschap van een multifunctionele halfgeleider, en kan worden gebruikt om de efficiëntie van de ladingextractie te verbeteren, " legde professor Xu uit.

De loodionen opsluiten om besmetting te voorkomen

Belangrijker, de dichte reeksen van thiol- en disulfidegroepen in de MOF's kunnen zware metaalionen "vangen" op het perovskiet-elektrode-interface om loodlekkage te verminderen.

"Onze experimenten toonden aan dat de MOF die werd gebruikt als de buitenste laag van het PVSC-apparaat meer dan 80% van de gelekte loodionen van het afgebroken perovskiet opving en in water onoplosbare complexen vormde die de grond niet zouden vervuilen, " Professor Jen legde uit. In tegenstelling tot de fysieke inkapselingsmethoden die in andere onderzoeken worden gebruikt om loodlekkage te verminderen, deze in-situ chemische sorptie van lood door de geïntegreerde MOF-component in het apparaat bleek effectiever en duurzamer te zijn voor praktische toepassingen op de lange termijn.

Operationele stabiliteit op lange termijn bereikt

Bovendien, dit MOF-materiaal zou perovskieten kunnen beschermen tegen vocht en zuurstof met behoud van een hoog rendement.

De stroomconversie-efficiëntie van hun met MOF gemodificeerde PVSC-apparaat zou 22,02% kunnen bereiken met een vulfactor van 81,28% en een nullastspanning van 1,20 V. Zowel de conversie-efficiëntie als de geregistreerde nullastspanning behoren tot de hoogste gerapporteerde waarden voor de vlakke omgekeerde PVSC's. Tegelijkertijd, het apparaat vertoonde superieure stabiliteit in een omgevingsomgeving met een relatieve vochtigheid van 75%, behoud van 90% van zijn aanvankelijke efficiëntie na 1, 100 uur. In tegenstelling tot, de stroomconversie-efficiëntie van de PVSC zonder MOF daalde aanzienlijk tot minder dan 50% van de oorspronkelijke waarde.

Ook, hun apparaat behield 92% van zijn aanvankelijke efficiëntie onder continue lichtbestraling gedurende 1, 000 uur bij 85°C. "Een dergelijk niveau van stabiliteit heeft al voldaan aan de norm voor commercialisering die is vastgesteld door de International Electrotechnical Commission (IEC), " zei dr. Zhu.

"Dit is een zeer significant resultaat dat aantoont dat onze MOF-methode technisch haalbaar is en het potentieel heeft om de PVSC-technologie te commercialiseren, ’ voegde professor Jen eraan toe.

Zeer efficiënte PVSC's voor toepassingen met schone energie

Het kostte het team bijna twee jaar om dit veelbelovende onderzoek te voltooien. Hun volgende stap zal zijn om de efficiëntie van de stroomconversie verder te verbeteren en de manieren te onderzoeken om de productiekosten te verlagen.

"We hopen dat de productie van dit soort PVSC's in de toekomst zou zijn als het 'printen' van kranten en gemakkelijk kan worden opgeschaald in productie, het faciliteren van de grootschalige inzet van zeer efficiënte PVSC's voor schone energietoepassingen, ’ concludeerde professor Jen.