Yellow is not the new black: ontdekking effent het pad voor een nieuwe generatie zonnecellen

Moleculaire blik op de CsPbI3 perovskiet  (vergrote weergave)

Moleculaire blik op de CsPbI3 perovskiet

(29-07-2019) Door het stabiliseren van perovskiet – synthetische kristallen die zonlicht omzetten in elektriciteit – kunnen ze gebruikt worden in nieuwe en hyper-efficiënte zonnepanelen.

Internationaal onderzoek, geleid door het Centrum voor Membraanscheidingen, Adsorptie, Katalyse en Spectroscopie voor Duurzame Oplossingen (cMACS) aan de KU Leuven en met belangrijke ondersteuning vanuit het Centrum voor Moleculaire Modellering (CMM) aan de UGent, verklaart voor het eerst hoe een veelbelovend type perovskiet – synthetische kristallen die zonlicht omzetten in elektriciteit – gestabiliseerd kunnen worden. Dankzij deze stabilisatie blijven de kristallen zwart, waardoor ze efficiënt zonlicht kunnen absorberen. Dat is noodzakelijk opdat ze kunnen gebruikt worden in nieuwe en hyperefficiënte zonnepanelen die gemakkelijk gemaakt kunnen worden. 

Perovskieten als veelbelovend materiaal voor zonnecellen

Perovskieten zijn halfgeleidermaterialen met vele interessante toepassingen. Een van die veelbelovende toepassingen is het omzetten van zonne-energie naar elektriciteit. Momenteel zijn de meeste zonnecellen nog vervaardigd uit siliciumkristallen, aangezien silicium een efficiënt en eenvoudig te verwerken materiaal vormt. Hoewel zonnecellen op basis van perovskieten een hogere conversie-efficiëntie kunnen hebben dan deze siliciummaterialen, zijn sommige van de meest veelbelovende perovskieten, zoals cesiumloodtriiodide (CsPbI3), erg instabiel op kamertemperatuur. Daardoor vormen de atomen onder gewone omstandigheden geen perovskietstructuur, en kleurt het materiaal geel. Opdat de kristallen efficiënt zonlicht zouden opvangen en omzetten in elektriciteit, zou het materiaal echter zwart moeten zijn – en blijven.

“Silicium vormt een erg sterk en rigide kristal. Als je het samendrukt, verandert zijn vorm niet. Perovskieten zijn daarentegen veel zachter en vervormbaarder”, legt Dr. Julian Steel van cMACS uit. “We konden deze perovskieten weliswaar stabiliseren onder verschillende labocondities, maar eenmaal afgekoeld naar kamertemperatuur willen de atomen zich herschikken naar een niet-perovskietstructuur, waardoor het zwarte kristal geel wordt.”

Perovskieten stabiliseren door dunnelaagdepositie

Het internationale onderzoeksteam ontdekte dat de zonnecellen hun gewenste zwarte fase behouden door een dunne perovskietlaag te bevestigen op een glazen plaat. De dunne film wordt eerst opgewarmd tot 330 graden Celsius, waardoor de perovskieten uitzetten en zich vastzetten aan het glas. Na het opwarmen wordt de dunne laag snel afgekoeld tot kamertemperatuur. Dit proces fixeert de atomen in het perovskietkristal en beperkt hun bewegingsvrijheid, zodat ze in de gewenste zwarte fase blijven.

“De kwaliteit van zonnecellen steunt op drie pijlers: prijs, stabiliteit en efficiëntie. Perovskieten scoren hoog voor efficiëntie en prijs, maar hun stabiliteit baart zorgen,” stelt Steele. Alhoewel wetenschappers al verschillende decennia geleden ontdekten dat perovskieten hun zwarte fase kunnen behouden als ze opgewarmd worden, was het totnogtoe onduidelijk waarom. “In onze studie kozen we voor CsPbI3 omdat de conversie-efficiëntie van dit materiaal heel hoog is,” legt Steele uit. “Bovendien is CsPbI3 een van de meest onstabiele perovskieten, zodat het materiaal heel gevoelig is aan de precieze behandelmethode. Als onze methode werkt op dit materiaal, zou het dus gemakkelijk overdraagbaar moeten zijn naar andere onstabiele perovskieten.”

Het fundamenteel stabilisatiemechanisme ontrafeld

Om op moleculair niveau het mechanisme te begrijpen waardoor deze materialen stabiel blijven, hebben onderzoekers aan het CMM (het Centrum voor Moleculaire Modellering aan de UGent) computationeel onderzocht hoe de experimentele procedure de zwarte en gele fases van het materiaal kan stabiliseren. Hierbij werd de vervorming van het perovskiet ter hoogte van de interface met het glazen plaatje nagebootst en werd bepaald hoe deze vervorming de stabiliteit van beide fases beïnvloedt. Deze computerresultaten waren essentieel om de experimenteel gevonden stabilisatie van de zwarte fase ten opzichte van de gele fase te kunnen rationaliseren.

Hoe de binding met het glazen substraat precies plaatsvindt, blijft vooralsnog een mysterie, alhoewel er verschillende hypotheses zijn. 

“Normaal zouden we een microscoop met atomaire resolutie gebruiken en rechtstreeks een blik werpen op het materiaal. Voor perovskieten is dat echter niet mogelijk, aangezien het materiaal zou vervormen onder deze techniek.”
“Verder het mechanisme ontrafelen dat voor deze stabilisatie zorgt zal helpen in de ontwikkeling van zonnecellen gebaseerd op perovskietkristallen,” stelt Steele. “Aangezien de barrière voor de adoptie van pervoskietgebaseerde zonnecellen laag is, kunnen zij een aantrekkelijk alternatief vormen voor mensen in ontwikkelingslanden.”

Naast zonnecellen, kunnen perovskieten ook gebruikt worden in LEDs, optische detectoren, transistoren, x-stralendetectoren en vele andere toepassingen.

De samenwerking, die meer dan 10 onderzoeksgroepen verspreid over 8 instituten en 6 landen omspant, is recent gepubliceerd in Science. Het onderzoek werd onder meer ondersteund door 7 FWO postdoctorale mandaten, 1 FWO-SB mandaat en 2 ERC-grants.


Meer info

De resultaten werden gepubliceerd in Science:

Thermal Unequilibrium of Strained Black CsPbI3 Thin Films

Julian A. Steele, Handong Jin, Iurii Dovgaliuk, Robert F. Berger, Tom Braeckevelt, Haifeng Yuan, Cristina Martin, Eduardo Solano, Kurt Lejaeghere, Sven M. J. Rogge, Charlotte Notebaert, Wouter Vandezande, Kris P. F. Janssen, Bart Goderis, Elke Debroye, Ya-Kun Wang, Yitong Dong, Dongxin Ma, Makhsud Saidaminov, Hairen Tan, Zhenghong Lu, Vadim Dyadkin, Dmitry Chernyshov, Veronique Van Speybroeck, Edward H. Sargent, Johan Hofkens, and Maarten B. J. Roeffaers

Contact

ir. Tom Braeckevelt, dr. ir. Kurt Lejaeghere, dr. ir. Sven M. J. Rogge, prof. dr. ir. Veronique Van Speybroeck

Centrum voor Moleculaire Modellering

Technologiepark 46, 9052 Zwijnaarde

M +32 (0)478 82 34 19