Een nieuwe behandeling voor bromiderijke perovskiet maakt de bovenste laag van een drievoudige zonnecel veel gelijkmatiger. Daarmee halen onderzoekers 30,1 procent rendement en pakken ze een hardnekkige verliesbron in volledig perovskieten zonnecellen aan.
Onderzoekers van de Nanjing University en samenwerkende instituten hebben een monolithische triple-junction-zonnecel ontwikkeld die volledig uit perovskieten bestaat. De cel haalt in het laboratorium een rendement van 30,1 procent; onafhankelijk werd 29,3 procent gecertificeerd. De belangrijkste winst komt uit een relatief subtiele ingreep: het gladstrijken en chemisch homogeniseren van de bovenste absorberlaag.
Toplaag levert problemen op
Triple-junction-zonnecellen stapelen drie absorberende lagen met verschillende bandgaps op elkaar. Daardoor kan iedere laag een ander deel van het zonnespectrum benutten. In de cel uit Nanjing hebben de drie lagen bandgaps van respectievelijk 2,0, 1,6 en 1,22 elektronvolt.
Juist de bovenste laag van 2,0 eV is lastig te produceren. Om zo’n brede bandgap te bereiken, bevat het perovskiet relatief veel bromide. Tijdens het drogen kristalliseert het oppervlak echter eerder dan het materiaal daaronder. Daardoor ontstaan rimpels en een ongelijkmatige verdeling van bromide en jodide. Dat veroorzaakt defecten waarin ladingsdragers verloren gaan voordat ze als elektrische stroom kunnen worden benut.
Het probleem is relevant omdat ultrawide-bandgap-perovskieten juist noodzakelijk zijn om efficiënte volledig perovskieten triple-junction-cellen te bouwen. Nature Energy omschrijft de rimpelvorming en halide-ongelijkheid als belangrijke oorzaken van spanningsverlies in deze materialen.
Gladgestreken laag tilt zonnecel boven 30 procent efficiëntie
De onderzoekers pakken beide problemen tegelijkertijd aan. Een oplosmiddelbehandeling reconstrueert het oppervlak, terwijl oleylammoniumchloride tijdelijk chloride aan het materiaal toevoegt. Dat zorgt ervoor dat bromide en jodide gelijkmatiger kristalliseren.
Het resultaat is een vlakkere film met een homogenere chemische samenstelling. Ook neemt de niet-stralende recombinatie af en bewegen ladingsdragers gemakkelijker door het materiaal. De 2,0-eV-topcel bereikt hierdoor een open-klemspanning van 1,46 volt.
Met de drie lagen gecombineerd kwam de uiteindelijke zonnecel uit op 30,1 procent efficiëntie. De gecertificeerde waarde bedraagt 29,3 procent. Daarmee laat het onderzoek vooral zien hoeveel rendement nog verloren kan gaan door ogenschijnlijk kleine onregelmatigheden in de kristalvorming.
Meer nodig dan een hoog laboratoriumrendement
De cel hield tijdens 569 uur continu gebruik op het maximale vermogenspunt meer dan 90 procent van zijn oorspronkelijke efficiëntie over. Dat is veelbelovend, maar nog geen bewijs dat dergelijke cellen tientallen jaren buiten kunnen functioneren zoals commerciële zonnepanelen moeten doen.
Ook opschaling blijft een uitdaging. Kleine laboratoriumcellen zijn aanzienlijk gemakkelijker homogeen te produceren dan grote modules. Bovendien moeten de drie subcellen nauwkeurig op elkaar worden afgestemd: de laag die de minste stroom levert, beperkt uiteindelijk de prestaties van de hele stapel.
Volgens de onderzoekers biedt verdere vermindering van spannings- en fill-factorverliezen ruimte om volledig perovskieten multijunction-zonnecellen uiteindelijk boven 35 procent rendement te brengen.
Interessant is daarbij niet alleen het rendement. Volledig perovskieten zonnecellen hebben geen zware siliciumwafer nodig. Als de stabiliteits- en schaalproblemen worden opgelost, kunnen daardoor dunne en lichte zonnepanelen mogelijk interessant worden voor toepassingen waarbij gewicht zwaar telt, zoals satellieten en andere ruimtevaartsystemen.
