Voor het grootste probleem van het veelbelovende zonnecelmateriaal perovskiet lijkt een oplossing nabij. Het materiaal degradeert onder invloed van vocht, waardoor het rendement snel terugloopt. Onderzoekers van de technische universiteit EPFL in Lausanne, Zwitserland, laten nu zien dat een zonnecel van perovskiet met een slim ontwerp langere tijd stabiel kan blijven. Hun zonnecel behield een jaar lang zijn volledige rendement.

De zonnecellen die nu op steeds meer daken verschijnen, zijn gemaakt van silicium (zie openingsbeeld). Er is echter een materiaal dat maar de helft kost: perovskiet. Deze familie van materialen met kristalstructuur heeft de afgelopen jaren een snelle ontwikkeling doorgemaakt in de onderzoekslabs (lees: ‘Zonnecel met hogere opbrengst’). Het maximale rendement ligt nu al op 22 %, in de buurt van wat silicium zonnecellen halen.
 

Vocht

Maar perovskiet heeft een groot nadeel: het is nogal gevoelig voor vocht. Wanneer water uit de lucht het kristal binnendringt, treden chemische reacties op waardoor het rendement van de cel binnen afzienbare tijd fors afneemt. Onderzoek heeft laten zien dat dit al na een paar duizend uur kan gebeuren. En dan snap je meteen waarom dit materiaal nog niet in de zonnepanelen op onze daken zit. Stel dat de panelen die je drie maanden geleden hebt laten leggen, vandaag de helft minder stroom leveren. Dat is onacceptabel.

Daarom bedenken wetenschappers allerlei trucs om het vocht weg te houden van het gevoelige perovskiet. Zo bouwden ze aan de TU Eindhoven al een flinterdun laagje aluminiumoxide in (lees: ‘Laagje maakt perovskiet-zonnecel stabieler’), waardoor een zonnecel na twee maanden nog op 70 % van het oorspronkelijke rendement zat. Dat is mooi, maar nog lang niet goed genoeg.
 

Andere aanpak

Onderzoekers aan de École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL) presenteerden gisteren in vaktijdschrift Nature Communications een rigoureus andere aanpak voor het maken van perovskiet-zonnecellen. Ze bouwen geen los beschermlaagje in, maar laten het als vanzelf ontstaan bij het maken van een zonnecel.

Door slimme trucs met de basismaterialen voor de cel slaagden de onderzoekers erin om binnenin het actieve gedeelte van de cel (het perovskiet) een laagje te creëren van tweedimensionaal perovskiet, dat dus een andere kristalstructuur heeft dan 'normaal' perovskiet, het stroomopwekkende gedeelte. Waar dit 2D-materiaal grenst aan het normale driedimensionale perovskiet ontstaat vanzelf een heel dun overgangsgebiedje, dat een mengvorm tussen 2D- en 3D-perovskiet is (zie illustratie rechts). Na analyse van hun nieuwe materiaalstructuur concluderen de EPFL-wetenschappers dat het 2D-laagje fungeert als barrière tegen vocht. Dankzij dit ongewone tweedimensionale laagje kan vocht simpelweg niet bij het actieve 3D-perovskiet komen.
 

Dik record

Met dit nieuwe materiaal hebben de Zwitsers ook een werkend zonnepaneeltje gemaakt, dat ze testten onder standaardomstandigheden (belichting, temperatuur). De resultaten zijn verbluffend: het rendement waarmee de cel zonlicht omzet in elektriciteit bleef gedurende minstens 10.000 uur stabiel, dat zijn ruim 400 etmalen; zie illustratie hieronder. Dit is een dik record voor zonnecellen van perovskiet. De onderzoekers zijn positief gestemd: ‘Dit maakt het mogelijk om op korte termijn efficiënte én stabiele zonnecellen te gaan maken van perovskiet, die breed toegepast kunnen worden’, schrijven ze in hun paper.
 




Beeldmateriaal Grancini et al., Nature Communications, 2017.