Perovskietzonnecellen zijn efficiënt en relatief goedkoop te produceren, maar hebben één hardnekkig probleem: ze gaan te snel achteruit. Zuid-Koreaanse onderzoekers hebben nu een manier gevonden om die veroudering sterk af te remmen. Hun zonnecellen behielden na 1.000 uur bij 85 graden Celsius en een luchtvochtigheid van 85 procent nog 95 procent van hun oorspronkelijke rendement.
De doorbraak komt van het Korea Institute of Energy Research (KIER), dat samenwerkte met het Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST). Het onderzoek, onder leiding van SeJin Ahn, richt zich op een zwakke plek in de chemische opbouw van perovskietzonnecellen.
Waarom perovskietzonnecellen zo snel verouderen
Perovskiet geldt als een veelbelovend alternatief voor silicium. Het materiaal absorbeert zonlicht bijzonder efficiënt en kan in dunne, lichte lagen worden aangebracht. Bovendien kunnen perovskietlagen boven op traditionele siliciumcellen worden geplaatst om meer elektriciteit uit hetzelfde oppervlak te halen.
Maar de levensduur blijft een struikelblok. Vooral warmte en vocht veroorzaken problemen in de zogeheten gatentransportlaag, die positieve ladingsdragers afvoert.
Om die laag goed te laten functioneren, worden doorgaans lithiumzouten en andere additieven gebruikt. Deze verbeteren de elektrische eigenschappen, maar hebben een keerzijde: additieven kunnen verdampen en lithiumionen kunnen zich door de zonnecel verplaatsen. Daardoor ontstaan defecten die de prestaties aantasten.
Slimme katalysator haalt schadelijk lithium weg
De Koreaanse onderzoekers ontwikkelden een productieproces waarbij lithiumzouten hun nuttige chemische functie vervullen, maar vervolgens worden verwijderd.
Daarvoor gebruiken ze nikkeloxide (NiOx) als katalysator. Het poeder bevordert de noodzakelijke reacties en bindt vrijgekomen lithiumionen aan zijn oppervlak. Vervolgens worden de nikkeloxidedeeltjes, inclusief het lithium, simpelweg uit de oplossing gefilterd.
Het resultaat is een gatentransportlaag zonder achtergebleven lithiumionen en zonder het vluchtige additief tBP. Daarmee pakken de onderzoekers twee belangrijke oorzaken van degradatie tegelijk aan.
Rendement van 25,24 procent zonder prestatieverlies
De nieuwe zonnecellen bereikten een energieomzettingsrendement van 25,24 procent. Dat is vrijwel gelijk aan, en zelfs iets hoger dan, de 25,21 procent van vergelijkbare cellen die met de conventionele methode zijn gemaakt.
Opvallender is de stabiliteit. Na 1.000 uur blootstelling aan 85 graden Celsius en 85 procent relatieve luchtvochtigheid resteerde nog 95 procent van het oorspronkelijke rendement. De onderzoekers tonen daarmee aan dat hogere stabiliteit niet noodzakelijk ten koste hoeft te gaan van efficiëntie.
Klaar voor het dak?
Nog niet, al komt toepassing wel steeds dichterbij. Duizend uur komt overeen met ongeveer 42 dagen, terwijl commerciële zonnepanelen doorgaans tientallen jaren moeten functioneren. Bovendien bewijst een versnelde laboratoriumtest niet automatisch hoe een zonnecel zich onder wisselende weersomstandigheden gedraagt.
Ook moeten de resultaten worden bevestigd bij grotere celoppervlakken en complete zonnepanelen. Juist bij opschaling kunnen nieuwe problemen ontstaan, bijvoorbeeld door imperfecties in de dunne lagen. Toch is de ontwikkeling veelbelovend. Doordat de onderzoekers een bestaande materiaalcombinatie verbeteren in plaats van een compleet nieuwe celarchitectuur te introduceren, kan de aanpak interessant zijn voor toekomstige productieprocessen.
Vooral bij perovskiet-siliciumtandemcellen zou dat belangrijk kunnen worden. Daar kan een stabiele perovskietlaag helpen om de opbrengst van zonnepanelen verder te verhogen zonder extra dakoppervlak nodig te hebben. Het onderzoek verscheen in het wetenschappelijke tijdschrift Advanced Science.
