De haat-liefdeverhouding tussen perovskiet en de zon

De afbeeldingen tonen de atomaire structuur van gemengd pervoskiet van formamidinium-cesium-loodjodide (FACsPbI3). Onder invloed van zonlicht valt het materiaal uiteen in clusters met veel cesium (het groene gebied) en formamidinium.

Perovskiet is een aantrekkelijk alternatief voor silicium, het is ruimschoots voorradig, het is goedkoop en gemakkelijk te produceren. Bovendien zijn de prestaties van de perovskiet-zonnecellen de afgelopen tien jaar drastisch verbeterd, met een rendement van meer dan 25 procent, wat dicht in de buurt komt van siliciumzonnecellen.

Het nieuwe onderzoek richt zich op perovskiet-zonnecellen gemaakt van formamidinium-cesium-loodjodide, een halide-verbinding die steeds populairder is geworden, omdat het een hoog rendement en een redelijke hittebestendigheid combineert met lage productiekosten.

Haat-liefde
Zonnepanelen van deze specifieke samenstelling hebben echter een nogal ambivalente relatie met zonlicht, een bekend probleem, dat tot dusver nauwelijks wordt begrepen. Terwijl het licht van de zon de panelen voedt met de benodigde energie om stroom op te wekken, heeft het ook een negatieve invloed op de stabiliteit van de cellen. Na verloop van tijd beïnvloedt dit hun prestaties.

Om te begrijpen waarom dit het geval is, hebben de onderzoekers van de TU/e, de Universiteit van Peking en de Universiteit van Californië San Diego zowel praktische experimenten uitgevoerd – het monitoren van de fotovoltaïsche prestaties van de panelen gedurende 600 uur blootstelling aan zonlicht – als theoretische analyse.

Hieruit concluderen zij dat het zonlicht geladen deeltjes in het zonnecel genereert, die samenkomen waar de zogenaamde ‘verboden zone’ (de minimale hoeveelheid energie die nodig is voor het genereren van de vrije elektronen) het kleinst is, in dit geval het formamidinium-perovskiet. De resulterende energieverschillen zorgen ervoor dat de elementen die eerst nog zo goed samenwerkten om de cel efficiënt te maken, uit elkaar vallen in aparte clusters. Vooral de clusters met veel cesium (de groene stippen in de afbeelding) blijken minder gevoelig te zijn voor fotonen en minder goed stroom te geleiden, wat een negatieve invloed heeft op de prestaties van het apparaat.

Als mogelijke oplossingen opperen de onderzoekers het gebruik van additieven om de chemische interactie binnen de materialen in de panelen te verbeteren; het manipuleren van de bandgap door het gebruik van andere elementen in plaats van jodide en cesium, zoals bromide en rubidium; of het wijzigen van de energieniveaus, zodat de geladen deeltjes beter vrijkomen.

De resultaten worden gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Joule .