Een tijdelijk vloeibaar laagje tijdens de productie kan een hardnekkig probleem van perovskiet-zonnecellen oplossen. Amerikaanse en Zuid-Koreaanse onderzoekers ontwikkelden een methode waarmee de kristallen groter en gelijkmatiger groeien. Het resultaat: zonnecellen met rendementen tot circa 26 procent die bovendien acht weken langdurig gebruik doorstaan met beperkt prestatieverlies.
Perovskiet geldt al jaren als een veelbelovend alternatief voor silicium in zonnepanelen. Het materiaal kan relatief goedkoop uit een vloeibare oplossing worden aangebracht en bereikt in laboratoria indrukwekkende rendementen. Toch blijft grootschalige toepassing lastig. Vooral de beperkte stabiliteit en de aanwezigheid van microscopische defecten staan commercialisering in de weg.
Onderzoekers van UC San Diego, Princeton University en de Zuid-Koreaanse Sungkyunkwan University presenteren nu in het wetenschappelijke tijdschrift Science een mogelijke oplossing. Opvallend genoeg draait die om het tijdelijk laten smelten van een deel van het materiaal.
Kristallen krijgen ruimte om te groeien
Een perovskietlaag bestaat uit talloze kleine kristallen. Op de grenzen tussen die kristallen ontstaan gemakkelijk defecten die elektrische ladingen verloren laten gaan. Daardoor neemt het rendement af. Het onderzoeksteam, onder leiding van onder anderen David Fenning van UC San Diego, voegde twee zouten toe aan de productieoplossing: zinkbromide en methylammoniumchloride.
Tijdens verhitting vormen deze stoffen een zogenoemd eutectisch mengsel. Dat heeft een lager smeltpunt dan de afzonderlijke bestanddelen en creëert tijdelijk een vloeibare fase rond de kristalgrenzen. Hierdoor kunnen kristallen zich herschikken en groter groeien. Het resultaat is een gelijkmatigere kristalstructuur met minder defecten.
Zink repareert zwakke plekken
De methode heeft nog een tweede voordeel. Tijdens verdere verhitting verdampt methylammoniumchloride, terwijl zink zich ophoopt langs de kristalgrenzen. Daar neutraliseert het elektronische defecten die anders energieverlies veroorzaken. Deze combinatie van gecontroleerde kristalgroei en defectpassivering maakt de techniek bijzonder interessant.
Met geavanceerde röntgenmetingen konden de onderzoekers het proces op nanoschaal volgen. Ze zagen hoe het materiaal tijdelijk een vloeistofachtige structuur aannam en vervolgens opnieuw kristalliseerde, zonder dat daarvoor een andere procestemperatuur nodig was.
Rendement tot 26 procent
De verbeteringen vertaalden zich naar opto-elektronische componenten. De geproduceerde zonnecellen en leds bereikten, afhankelijk van het apparaattype, rendementen van ongeveer 24 tot 26 procent.
Ook de stabiliteit viel op. Na acht weken onafgebroken werking onder gesimuleerd zonlicht behielden de zonnecellen het grootste deel van hun oorspronkelijke rendement. Daarnaast bleven opgewekte elektronen en gaten uitzonderlijk lang gescheiden voordat ze recombineerden. Dat wijst op zeer geringe interne energieverliezen.
Gamechanger of tussenstap?
De werkelijke betekenis ligt mogelijk niet alleen in het behaalde rendement, maar vooral in de productiemethode.
Bij het opschalen van perovskiet-zonnecellen naar grotere oppervlakken wordt het steeds moeilijker om overal dezelfde kristalkwaliteit te bereiken. Een chemische toevoeging die tijdens de bestaande warmtebehandeling zowel de kristalgroei stuurt als defecten vermindert, zou dat productieproces kunnen vereenvoudigen.
Toch is commerciële toepassing nog geen uitgemaakte zaak. Acht weken laboratoriumtesten zeggen weinig over tientallen jaren blootstelling aan vocht, temperatuurwisselingen en buitenlucht. Ook moet blijken of de methode even goed werkt op grote panelen.
Als die uitdagingen worden opgelost, kan de techniek niet alleen zelfstandige perovskiet-zonnecellen verbeteren, maar mogelijk ook perovskiet-siliciumtandemcellen, waarin beide materialen samenwerken om meer zonlicht om te zetten in elektriciteit.
