Chinese onderzoekers hebben een belangrijk obstakel voor de productie van flexibele perovskietzonnecellen opgelost. Met een speciaal ontworpen molecuul voorkomen ze dat materialen elkaar tijdens het productieproces verstoren. Het resultaat: buigzame zonnecellen met een rendement tot 26,86 procent en een opvallend hoge stabiliteit.
Flexibele zonnecellen beloven nieuwe toepassingen op plekken waar traditionele siliciumzonnepanelen te zwaar of te stijf zijn. Denk aan voertuigen, draagbare elektronica en gebogen oppervlakken. Maar de overstap van kleine laboratoriumcellen naar grotere, betrouwbare zonnepanelen blijkt lastig.
Onderzoekers van Southeast University en Soochow University hebben nu een nieuwe productiemethode ontwikkeld die twee belangrijke problemen tegelijk aanpakt: een ongelijkmatige materiaallaag en een beperkte levensduur.
Moleculen zitten elkaar in de weg
Bij de productie van perovskietzonnecellen worden verschillende ultradunne lagen aangebracht. Een daarvan is een zogeheten self-assembled monolayer (SAM), een laag van slechts één molecuul dik die helpt om elektrische lading efficiënt af te voeren.
Om de productie te vereenvoudigen, proberen onderzoekers deze transportlaag en de lichtabsorberende perovskietlaag gelijktijdig aan te brengen. Daar ontstaat een chemisch probleem. De moleculen reageren te sterk met elkaar, waardoor de transportlaag zich onvoldoende aan het substraat hecht en de perovskietkristallen onregelmatig groeien. Dat veroorzaakt defecten die zowel het rendement als de levensduur verminderen.
Slim molecuul voorkomt ongewenste reacties
Het Chinese onderzoeksteam ontwikkelde daarom een methode die het decoupled co-deposition noemt. Aan de vloeibare grondstoffen wordt een speciaal molecuul toegevoegd met ammoniumionen, jodide-ionen en twee sulfonaatgroepen.
Dit molecuul bindt zich aan perovskietcomponenten en voorkomt dat deze voortijdig reageren met de transportlaag. Daardoor kunnen beide lagen zich beter vormen. Bovendien stuurt het additief de kristalgroei en helpt het defecten in het materiaal te verminderen.
Rendement van 26,86 procent
De resultaten zijn veelbelovend. Kleine flexibele zonnecellen bereikten een onafhankelijk gecertificeerd rendement van 26,86 procent. Daarbij presteerde de technologie ook bij grotere afmetingen goed:
- 5 x 5 centimeter: 22,31 procent
- 10 x 10 centimeter: 20,63 procent
- 30 x 30 centimeter: 20,15 procent
Volgens de onderzoekers gaat het om recordrendementen voor deze categorie flexibele modules. Ook de duurzaamheid viel op. Een module van 25 vierkante centimeter behield na 1.044 uur bedrijf bij 85 graden Celsius en 65 procent relatieve luchtvochtigheid nog 92,5 procent van zijn oorspronkelijke rendement van 22 procent.
Van laboratorium naar industriële productie
De onderzoekers melden bovendien succesvolle stabiliteitstests volgens IEC 63163, waaronder temperatuurwisselingen tussen -40 en 85 graden Celsius.
Dat is belangrijk, maar betekent nog niet dat de technologie klaar is voor massaproductie. De prestaties moeten ook bij langdurige blootstelling aan buitenomstandigheden en herhaald buigen behouden blijven.
De echte doorbraak zit daarom niet alleen in het hoge rendement, maar vooral in de productiemethode. Doordat beide functionele lagen vanuit één oplossing kunnen worden aangebracht, ontstaat een interessante route naar continue rol-tot-rolproductie.
Daarmee komen lichte, oprolbare zonnepanelen voor voertuigen, gebouwen en draagbare toepassingen een stap dichterbij.
Het onderzoek is gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Science.
