Zonnecellen van perovskiet zijn stabieler te maken door er een beetje kaliumjodide aan toe te voegen. Dat laten materiaalwetenschappers uit Delft en Cambridge zien. De kaliumionen fixeren het materiaal op microscopische schaal, zodat het minder snel degradeert. Ook de efficiëntie gaat omhoog dankzij het kalium.

Read this article in English

Steeds meer daken liggen vol met zonnepanelen, de meeste van het traditionele type: kristallijn silicium. Die voldoen op zich prima, maar wetenschappers en ingenieurs werken aan een generatie zonnecellen met hogere rendementen. Want het zou mooi zijn als dezelfde hoeveelheid zonneschijn meer stroom kan opwekken.

Een belangrijke kandidaat voor zo’n verbeterde zonnecel is een zogeheten tandem-cel. Dit is een zonnecel die eigenlijk bestaat uit twee afzonderlijke types zonnecel bovenop elkaar. Waar het zonlicht als eerste op valt is dan een zonnecel van perovskiet. Dit is een familie van materialen die veel eenvoudiger te verwerken zijn dan het silicium van de bestaande zonnepanelen (lees: ‘Zeer stabiele zonnecel van perovskiet’). Bijkomend voordeel is dat de eigenschappen van perovskiet vrij eenvoudig te tunen zijn, zoals bijvoorbeeld de band gap, die bepaalt bij welke golflengtes het materiaal licht absorbeert.

Het slimme van zo’n tandemcel is dat het perovskiet het grootste deel van het zichtbare licht opvangt en omzet in stroom, en dat het infrarode licht in de silicium cel wordt omgezet in elektriciteit. De twee materialen vullen elkaar aan door elk afzonderlijk een ander deel van het spectrum van zonlicht te oogsten (zie figuur hieronder).
 

In een tandemzonnecel van perovskiet-silicium- absorbeert en gebruikt de perovskiet (bovenste laag) het meeste zichtbare licht en het silicium (onderste laag) het infrarode deel van het zonnespectrum. Bron: EPFL


Stabiliteit

Nu hebben zonnecellen van perovskiet, bestaande uit onder meer halides (jodides, bromides) last van problemen met de stabiliteit; het materiaal degradeert te snel. ‘Onder invloed van het invallende zonlicht gaan de halides in het perovskiet aan de wandel’, legt universitair docent Tom Savenije van de TU Delft uit.

Daarom ging één van zijn promovenda, Eline Hutter, in samenwerking met Cambridge University, op zoek naar manieren om dat wandelen van de betreffende ionen te stoppen. Daarin zijn ze nu geslaagd, getuige een publicatie in Nature van vorige week. Door kaliumjodide toe te voegen aan de perovskietlaag worden de halides gefixeerd, zodat het materiaal niet of minder snel degradeert.

'We hebben verschillende zonnecellen een maand lang getest. Over die periode bleken de cellen mét kaliumjodide erin aanzienlijk stabieler dan de cellen zonder.' Bij cellen met kaliumjodide die niet gebruikt waren, werd geen enkele degradatie waargenomen, zo valt in het paper te lezen. Cellen die 300 uur lang op vol vermogen werden belicht, zaten daarna nog op 80 % van hun oorspronkelijke efficiëntie. Dat is vergelijkbaar met 30 dagen lang ieder dag 10 uur belichten. Er is dus nog werk aan de winkel om de prestaties van het zonnecelmateriaal voor langere tijd vast te houden.
 

Fouten in het rooster

Perovskiet had trouwens nog een probleem. Door fouten in het kristalrooster van het materiaal kunnen elektronen die door zonlicht zijn vrijgemaakt, niet goed worden afgevoerd; ze komen vast te zitten in het materiaal en dragen zo niet bij aan de efficiëntie van de zonnecel.

Ook hierop blijkt het kaliumjodide een positief effect te hebben, doordat het de defecten grotendeels oplost. ‘Hierdoor worden de elektronen beter afgevoerd, wat een verbeterd rendement van de zonnecellen oplevert’, zegt Hutter in een persbericht van de TU Delft.
 

Ladingstransport

In dit project brachten de onderzoekers van Cambridge University de meeste materialenkennis in. De Delftse onderzoekers zijn gespecialiseerd in het meten van ladingstransport in het zonnecelmateriaal. In de meetopstelling valt een felle laserpuls op het materiaal, waarna in beeld wordt gebracht hoe de vrije ladingen zich verplaatsen.

Zonnecellen van perovskiet worden gemaakt door de benodigde materialen vanuit een oplossing te spincoaten. Het kalium is in de uiteindelijke zonnecel aan te brengen door aan dit mengsel kaliumjodide toe te voegen. Dit belooft een eenvoudige, betaalbare en schaalbare aanpassing aan de bestaande productiemethode voor perovskiet-zonnecellen.
 

Winst bij de productie

Savenije benadrukt dat de resultaten op labschaal er positief uitzien, maar dat de echte winst moet gaan komen als de makers van zonnecellen het kalium daadwerkelijk in hun productieproces gaan opnemen. In Nederland werkt Solliance aan de genoemde tandemcellen van perovskiet en silicium. Solliance legt zich toe op het ontwikkelen van productietechniek voor flexibele zonnecellen op folie. Savenije: ‘Wij hebben een aantal verschillende kaliumconcentraties getest tussen 5 en 40 %, maar het is best mogelijk dat het nog beter kan. Dat finetunen hoort thuis bij een instituut of bedrijf en wij hebben hierover inmiddels contact met Solliance.’

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