De haat-liefdeverhouding tussen perovskiet en de zon
Onder invloed van zonlicht verliezen zonnepanelen van perovskiet snel hun kwaliteit. Nieuw onderzoek werpt licht op de mogelijke oorzaken.
Zonnecellen van perovskiet staan in het middelpunt van veel recent onderzoek naar zonne-energie. Het materiaal is goedkoop, gemakkelijk te maken en bijna net zo efficiënt als silicium, het materiaal dat van oudsher in zonnecellen wordt gebruikt. Probleem: perovskiet-cellen hebben een haat-liefdeverhouding met de zon. Het licht dat ze nodig hebben om elektriciteit op te wekken, doet ook afbreuk aan de kwaliteit van de cellen, waardoor hun efficiëntie en stabiliteit in de loop van de tijd sterk terugloopt. Onderzoek door wetenschappers van de TU/e en universiteiten in China en de VS werpt nu nieuw licht op de oorzaken van deze achteruitgang, en effent het pad voor het ontwerpen van nieuwe perovskite-samenstellingen voor echt stabiele zonnecellen.
Perovskiet is een aantrekkelijk alternatief voor silicium, het is ruimschoots voorradig en gemakkelijk te produceren. Bovendien zijn de prestaties van de perovskiet-zonnecellen de afgelopen tien jaar drastisch verbeterd, met een rendement van meer dan 25 procent, wat dicht in de buurt komt van siliciumzonnecellen.
Het nieuwe onderzoek richt zich op perovskiet-zonnecellen gemaakt van formamidinium-cesium-loodjodide, een halide-verbinding die steeds populairder is geworden, omdat het een hoog rendement en een redelijke hittebestendigheid combineert met lage productiekosten.
Haat-liefde
Zonnepanelen van deze specifieke samenstelling hebben echter een nogal ambivalente relatie met zonlicht, een bekend probleem, dat tot dusver nauwelijks wordt begrepen. Terwijl het licht van de zon de panelen voedt met de benodigde energie om stroom op te wekken, heeft het ook een negatieve invloed op de stabiliteit van de cellen. Na verloop van tijd beïnvloedt dit hun prestaties.
Om te begrijpen waarom dit het geval is, hebben de onderzoekers van de TU/e, de Universiteit van Peking en de Universiteit van Californië San Diego zowel praktische experimenten uitgevoerd - het monitoren van de fotovoltaïsche prestaties van de panelen gedurende 600 uur blootstelling aan zonlicht – als theoretische analyse.
Hieruit concluderen zij dat het zonlicht geladen deeltjes in het zonnecel genereert, die samenkomen waar de zogenaamde ‘verboden zone’ (de minimale hoeveelheid energie die nodig is voor het genereren van de vrije elektronen) het kleinst is, in dit geval het formamidinium-perovskiet. De resulterende energieverschillen zorgen ervoor dat de elementen die eerst nog zo goed samenwerkten om de cel efficiënt te maken, uit elkaar vallen in aparte clusters. Vooral de clusters met veel cesium (de groene stippen in de afbeelding) blijken minder gevoelig te zijn voor fotonen en minder goed stroom te geleiden, wat een negatieve invloed heeft op de prestaties van het apparaat.
Oplossingen
Volgens Shuxia Tao, die samen met promovendus Zehua Chen en haar collega Geert Brocks verantwoordelijk was voor het TU/e-deel van het onderzoek, zijn de nieuwe bevindingen een stap verder op weg naar mogelijke oplossingen.
"Door praktische experimenten te combineren met microscopische materiaalkarakterisering en modellering op atomaire schaal hebben we de instabiliteit van halide-perovskieten beter kunnen begrijpen. Dit effent het pad voor het ontwerpen van nieuwe perovskite-samenstellingen voor echt stabiele zonnecellen."
Als mogelijke oplossingen opperen de onderzoekers het gebruik van additieven om de chemische interactie binnen de materialen in de panelen te verbeteren; het manipuleren van de bandgap door het gebruik van andere elementen in plaats van jodide en cesium, zoals bromide en rubidium; of het wijzigen van de energieniveaus, zodat de geladen deeltjes beter vrijkomen.
Tao benadrukt dat er meer onderzoek nodig is om te zien welke oplossing het beste werkt. Bovendien is de scheiding van halideverbindingen niet de enige oorzaak van het uiteenvallen van perovskiet. Deze andere oorzaken vergen een aparte analyse.
De resultaten worden gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Joule.
N. Li, Y. Luo, Z. Chen, G. Brocks, S. Tao, D. P. Fenning, H. Zhou, et al. Microscopic Degradation in Formamidinium-Cesium Lead Iodide Perovskite Solar Cells under Operational Stressors, DOI: 10.1016/j.joule.2020.06.005