Zonnepanelen, die zonlicht omzetten in elektriciteit, maken al lang deel uit van de mondiale visie op hernieuwbare energie. Hoewel individuele cellen erg klein zijn, wanneer opgeschaald naar modules, ze kunnen worden gebruikt om batterijen en stroomlichten op te laden. Indien naast elkaar gelegd, zij konden, op een dag, de primaire energiebron voor gebouwen zijn. Maar de zonnecellen die momenteel op de markt zijn, maken gebruik van silicium, waardoor ze duur zijn om te fabriceren in vergelijking met meer traditionele stroombronnen.

Dat is waar een ander, relatief nieuw voor de wetenschap, materiaal komt binnen - metaalhalogenide perovskiet. Wanneer genesteld in het midden van een zonnecel, deze kristallijne structuur zet ook licht om in elektriciteit, maar tegen veel lagere kosten dan silicium. Verder, op perovskiet gebaseerde zonnecellen kunnen worden gefabriceerd met zowel stijve als lenige substraten, dus naast dat het goedkoper is, ze zouden lichter en flexibeler kunnen zijn. Maar, om echt potentieel te hebben, deze prototypes moeten groter worden, efficiëntie, en levensduur.

Nutsvoorzieningen, in een nieuwe studie, gepubliceerd in Nano-energie , onderzoekers binnen de Unit Energy Materials and Surface Sciences, onder leiding van professor Yabing Qi, aan de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) hebben aangetoond dat het op een andere manier creëren van een van de grondstoffen die nodig zijn voor perovskieten, de sleutel kan zijn tot het succes van deze cellen.

"Er is een noodzakelijk kristallijn poeder in perovskieten genaamd FAPbI ₃ , die de absorberende laag van de perovskiet vormt, ", legde een van de hoofdauteurs uit, Dr. Guoqing Tong, Postdoctoraal geleerde in de eenheid. "Eerder, deze laag is gemaakt door twee materialen te combineren:PbI2 en FAI. De reactie die plaatsvindt produceert FAPbI3. Maar deze methode is verre van perfect. Er zijn vaak resten van een of beide originele materialen, die de efficiëntie van de zonnecel kunnen belemmeren."

Om dit te omzeilen, de onderzoekers synthetiseerden het kristallijne poeder met behulp van een nauwkeuriger poedertechniekmethode. Ze gebruikten nog steeds een van de grondstoffen - PbI ₂ — maar bevatte ook extra stappen, die betrokken waren, onder andere, verhit het mengsel tot 90 graden Celsius en los voorzichtig eventuele restjes op. Dit zorgde ervoor dat het resulterende poeder van hoge kwaliteit en structureel perfect was.

Een ander voordeel van deze methode was dat de stabiliteit van de perovskiet bij verschillende temperaturen toenam. Toen de absorberende laag van de perovskiet werd gevormd uit de oorspronkelijke reactie, het was stabiel bij hoge temperaturen. Echter, op kamertemperatuur, het veranderde van bruin naar geel, wat niet ideaal was om licht te absorberen. De gesynthetiseerde versie was zelfs bij kamertemperatuur bruin.

Vroeger, onderzoekers hebben een op perovskiet gebaseerde zonnecel gemaakt met een efficiëntie van meer dan 25 procent, wat vergelijkbaar is met zonnecellen op basis van silicium. Maar, om deze nieuwe zonnecellen buiten het lab te brengen, een schaalvergroting en stabiliteit op lange termijn is noodzakelijk.

"Zonnecellen op laboratoriumschaal zijn klein, " zei Prof. Qi. "De grootte van elke cel is slechts ongeveer 0,1 cm ² . De meeste onderzoekers concentreren zich hierop omdat ze gemakkelijker te maken zijn. Maar, op het gebied van toepassingen, we hebben zonnepanelen nodig, die veel groter zijn. Ook de levensduur van de zonnecellen is iets waar we rekening mee moeten houden. Hoewel eerder een efficiëntie van 25 procent werd bereikt, de levensduur was, hoogstens, een paar duizend uur. Na dit, de efficiëntie van de cel begon af te nemen."

Met behulp van het gesynthetiseerde kristallijne perovskietpoeder, Dr Tong, samen met Dr. Dae-Yong Son en de andere wetenschappers in de afdeling van Prof. Qi, bereikten een conversie-efficiëntie van meer dan 23 procent in hun zonnecel, maar de levensduur was meer dan 2000 uur. Toen ze opschaalden naar zonnepanelen van 5x5cm2, ze behaalden nog steeds meer dan 14 procent efficiëntie. Als proof-of-concept, ze fabriceerden een apparaat dat een perovskiet-zonnemodule gebruikte om een ​​lithium-ionbatterij op te laden.

Deze resultaten vertegenwoordigen een cruciale stap in de richting van efficiënte en stabiele op perovskiet gebaseerde zonnecellen en -modules die, op een dag, buiten het laboratorium worden gebruikt. "Onze volgende stap is om een ​​zonnepaneel te maken van 15 x 15 cm ² en heeft een efficiëntie van meer dan 15 procent, " zei Dr. Tong. "Op een dag hoop ik dat we een gebouw bij OIST van stroom kunnen voorzien met onze zonnepanelen."