Perovskietzonnecellen haalden jarenlang hoge rendementen, maar faalden op één cruciaal punt: stabiliteit. Een nieuwe chemische aanpak laat zien dat perovskiet de stap van lab naar industriële toepassing kan maken.
Perovskietzonnecellen gelden al jaren als het veelbelovende alternatief voor silicium. Ze zijn lichter, goedkoper te produceren en kunnen theoretisch een hogere efficiëntie halen. Maar één hardnekkig probleem hield grootschalige toepassing tegen: de levensduur. Daar lijkt nu verandering in te komen.
Onderzoekers van Purdue University en Emory University hebben een nieuwe methode ontwikkeld die de stabiliteit van perovskietzonnecellen drastisch verbetert. Volgens de studie, gepubliceerd in Nature Energy, behouden deze zonnecellen na extreem zware tests nog steeds 90 procent van hun oorspronkelijke prestaties. Dat is een mijlpaal voor een technologie die tot nu toe bekendstond om snelle degradatie.
Enorme belofte, één fundamenteel probleem
Halide-perovskieten zijn kristallijne materialen die zonlicht uitzonderlijk goed absorberen. In korte tijd zijn laboratoriumrendementen opgelopen tot bijna 26 procent, vergelijkbaar met de beste siliciumcellen. Bovendien kunnen perovskieten worden aangebracht via relatief eenvoudige en goedkope processen, zoals print- en coatingtechnieken.
Toch bleef commerciële doorbraak uit. Waar siliciumzonnepanelen probleemloos 25 tot 30 jaar meegaan, degradeerden perovskietcellen vaak al na maanden of enkele jaren. Warmte, vocht en licht bleken funest voor de kristalstructuur.
Een nieuwe aanpak
Veel eerdere pogingen om perovskiet stabieler te maken, richtten zich vooral op het oppervlak van de lichtabsorberende laag. Het nieuwe onderzoek kiest een bredere aanpak.
Perovskietzonnecellen zijn opgebouwd als een sandwich: een actieve laag tussen twee zogeheten interface-lagen die de ladingstransport verzorgen. Juist aan die interfaces, vooral de onderste, ‘begraven’ interface, ontstaan veel defecten die leiden tot energieverlies en versnelde veroudering.
Het onderzoeksteam ontwikkelde daarom een strategie die zowel de bulk van het perovskietmateriaal als de interfaces stabiliseert.
Ionische vloeistof als moleculaire lijm
De sleutel ligt in een speciaal ontworpen ionische vloeistof: methoxyethoxymethyl-1-methylimidazoliumchloride (MEM-MIM-Cl). Ionische vloeistoffen zijn zouten die bij kamertemperatuur vloeibaar zijn en sterke interacties aangaan met hun omgeving.
In dit geval fungeert MEM-MIM-Cl als een soort moleculaire bodyguard voor het perovskiet:
- het bindt aan positief geladen loodionen;
- het vult lege plekken in het kristalrooster;
- en het stabiliseert de vaak verwaarloosde begraven interface.
Door de vloeistof tijdens de fabricage aan het perovskiet toe te voegen, groeien de kristallen langzamer en gelijkmatiger. Het resultaat: grotere kristalkorrels, minder interne defecten en een robuustere structuur.
Opmerkelijk is dat de ionische vloeistof zich vanzelf verplaatst naar de onderste interface van de zonnecel, waar hij als een beschermende afdichting werkt. Dat is precies de plek waar degradatie vaak begint.
Uitzonderlijke resultaten
Om te testen of de aanpak ook echt verschil maakt, werden de zonnecellen blootgesteld aan omstandigheden die ver boven de standaard testnormen liggen: continue verlichting (1-zon) bij een temperatuur van 90 graden Celsius.
Zelfs onder deze omstandigheden bleven de prestaties indrukwekkend. Na meer dan 1.500 uur intensieve belasting behielden de cellen nog 90 procent van hun initiële vermogen. Het gemeten piekrendement bedroeg 25,9 procent.
Ter vergelijking: veel eerdere perovskietstudies rapporteren stabiliteit onder mildere omstandigheden, zoals lagere temperaturen of kortere testduur. In dat licht is dit resultaat uitzonderlijk.
Geschikt voor industriële productie
Minstens zo belangrijk: de methode is compatibel met bestaande productietechnieken. De onderzoekers benadrukken dat processen zoals blade coating (een schaalbare techniek voor grote oppervlakken) probleemloos kunnen worden toegepast.
Dat maakt de stap van laboratorium naar fabriek een stuk realistischer. Het team werkt inmiddels aan verdere verfijning van de moleculaire samenstelling en gebruikt geavanceerde beeldvorming om de interacties tussen perovskiet en ionische vloeistoffen beter te begrijpen.
Van publicatie naar praktijk
De onderzoekers hebben patenten aangevraagd en zoeken actief samenwerking met industriële partners. Het doel is duidelijk: perovskietzonnecellen ontwikkelen die niet alleen efficiënt en goedkoop zijn, maar ook daadwerkelijk decennia kunnen meegaan.
Als deze technologie succesvol wordt opgeschaald, kan dat grote gevolgen hebben voor de zonne-energiesector. Denk aan lichtere panelen, toepassingen op flexibele ondergronden en lagere kosten per opgewekte kilowattuur.
Een beslissende stap
Perovskietzonnecellen zijn al vaker ‘bijna doorgebroken’. Dit onderzoek voelt anders. Door fundamentele stabiliteitsproblemen in zowel materiaal als interfaces tegelijk aan te pakken, wordt een van de laatste grote barrières geslecht.
Dit onderzoek onderstreept het belang van de vondst. Of dit daadwerkelijk het begin is van een nieuw tijdperk voor zonne-energie, zal de komende jaren blijken. Maar één ding is duidelijk: perovskiet is dichter bij de praktijk dan ooit.
