Het materiaal perovskiet is een veelbelovend materiaal om zonnecellen mee te maken. Het is goedkoper dan silicium en het recordrendement is de afgelopen jaren snel toegenomen. Groot nadeel is dat het materiaal snel degradeert onder invloed van vocht. Onderzoekers van de TU Eindhoven brachten een flinterdun beschermlaagje aan om het materiaal een stuk stabieler te maken.

Perovskiet, zoals het in de natuur voorkomt.


De rendementen van silicium zonnecellen lijken tegen een maximum aan te lopen. Mede daarom kijken onderzoekers met grote belangstelling naar het materiaal perovskiet (calciumtitaniumoxide, CaTiO3), dat de afgelopen jaren een snelle ontwikkeling heeft doorgemaakt. Het maximale rendement ligt nu al op 22 %, in dezelfde orde van grootte als silicium cellen.

Perovskiet heeft echter ook een groot nadeel: het is zeer gevoelig voor vocht. Water uit de lucht dringt het kristal binnen, waardoor het rendement van de cel na een tijdje fors afneemt. Die vermindering is zó fors dat het commerciële toepassing in de weg zit.
 

Aluminiumoxide

Hier denken onderzoekers van de TU Eindhoven en onderzoeksinstituut ECN nu iets op gevonden te hebben. Ze voegen in de zonnecel van perovskiet een nanometers dun laagje toe van aluminiumoxide (Al2O3). Dat blijkt de cel veel langer stabiel te houden. Ze beschreven hun onderzoek in vakblad Energy and Environmental Science (‘High-Efficiency Humidity-Stable Planar Perovskite Solar Cells Based On Atomic Layer Architecture’).

Het laagje aluminiumoxide van enkele atoomlagen dik zit tussen het perovskiet en de elektrische contactlagen in, binnenin de cel. Het laagje is daarmee dik genoeg om vocht tegen te houden, maar ook dun genoeg om ladingsdragers door te laten. Dat laatste is een voorwaarde voor een goede werking van de zonnecel. ‘Aluminiumoxide heeft weliswaar elektrisch isolerende eigenschappen, toch kunnen we het als bufferlaagje gebruiken. Doordat het zo dun is, kunnen ladingsdragers elektrisch tunnelen door het isolatorlaagje’, aldus eerste auteur Dibyashree Koushik, promovenda aan de TU Eindhoven in een persbericht.
 

Warenonderzoek

Vervolgens onderwierpen de onderzoekers de aangepaste cel aan een vergelijkend warenonderzoek. Ze stelden de zonnecellen zowel met als zonder laagje bloot aan vochtige lucht. Na twee maanden bleek dat de cellen met het aluminiumoxidelaagje 60 tot 70 % van hun oorspronkelijke rendement hadden overgehouden, terwijl de referentiecellen nog maar op 12 % zaten. Het beschermlaagje doet dus zijn werk.
 

Pluspunt

De zonnecellen van perovskiet worden dankzij het laagje dus robuuster in gebruik. Pluspunt is dat het laagje binnenin de cel zit, wat de opties openhoudt om aan de buitenzijde van de cel nog andere rendementsverhogende laagjes aan te brengen.

Het extra laagje had bovendien nog een onverwacht effect: het rendement van de cel ging omhoog van 15 naar 18 %. ‘Dit hadden we niet verwacht en een precieze verklaring hebben we ook nog niet. Maar we gaan het verder onderzoeken', aldus onderzoeksleider prof.dr. Ruud Schropp van de TU Eindhoven.
 

Tandem

Omdat de traditionele zonnecellen van kristallijn silicium tegen hun limiet aanlopen, vestigen materiaalonderzoekers hun hoop nu op een zonnecel van de tandem silicium-perovskiet. Deze combinatie belooft een flink hogere efficiëntie vergeleken met het silicium, terwijl de kosten voor fabricage en installatie ongeveer hetzelfde zullen zijn. Maar voordat we zover zijn, moeten wel eerst problemen met zoals met stabiliteit en vocht opgelost worden.


Openingsfoto zonnecellen van perovskiet-tin van Oxford University (niet gerelateerd aan beschreven onderzoek). Bron: Oxford University