Zonnecellen van perovskiet maken de afgelopen jaren een ongekend snelle ontwikkeling door. Perovskiet is een mineraal met dezelfde kristalstructuur als calcium-titanium-oxide (CaTiO₃). Het rendement van dit type zonnecellen steeg in slechts enkele jaren tijd naar 22 procent. Een nadeel is vooralsnog de aantasting door vocht: waterdamp uit de atmosfeer reageert met de perovskietkristallen, waardoor het rendement na verloop van tijd sterk afneemt. Deze instabiliteit is een struikelblok op weg naar succesvolle commerciële toepassing.

Bij de nu gepubliceerde ontdekking dekken de onderzoekers de gevoelige perovskietlaag af met enkele atoomlaagjes aluminiumoxide, dat als beschermend laagje dient tegen degradatie door vocht. Deze laagjes bevinden zich dus binnenin de zonnecel, tussen het perovskiet en de elektrische contactlagen.

De onderzoekers kozen voor aluminiumoxide (Al₂O₃) omdat de vorming ervan op willekeurige oppervlakken onmiddellijk plaatsvindt. “Hoewel Al₂O₃ elektrisch isolerende eigenschappen heeft, kan het toch als bufferlaagje gebruikt worden tussen het halfgeleidende perovskiet en de geleidende contacten door de dikte van het laagje beperkt te houden tot één nanometer of minder”, aldus FOM-promovendus en eerste auteur Dibyashree Koushik van de TU/e-groep Plasma and Materials Processing. “Ladingsdragers kunnen dan elektrisch tunnelen door het isolatorlaagje.”

Na fabricage, waarbij via atomaire laag depositie (ALD) dunne lagen met nauwkeurige compositie werden aangebracht, vergeleken de onderzoekers de stabiliteit van de cellen met identieke cellen zonder dit laagje. De complete cellen werden verder niet beschermd met vochtafsluitende verpakking. Na twee maanden blootgesteld te zijn aan vochtige lucht behielden de cellen mét het Al₂O₃-laagje zestig tot zeventig procent van hun oorspronkelijke rendement, terwijl de referentiecellen slechts twaalf procent overhielden.

Bonus

Het laagje bleek bovendien het rendement te verhogen van vijftien naar achttien procent. “Dat was een bonus voor ons”, aldus onderzoeksleider Ruud Schropp van de TU/e. “Dit hadden we niet verwacht en een precieze verklaring hebben we ook nog niet. Maar dat gaan we nog verder onderzoeken.”

Of de laagjes ook een verhoging van het record in perovskietcellen zullen geven, is lastig te zeggen, volgens Schropp. “Die zijn heel anders opgebouwd dan de eenvoudige, opschaalbare structuur die wij hebben gekozen. Maar de stabiliteit zal er in die cellen zeer waarschijnlijk ook mee vooruit gaan.”
Dat het beschermende laagje aluminiumoxide zich niet aan de buitenkant bevindt, zoals andere onderzoekers vaak proberen, maakt het bovendien mogelijk een breed scala van materialen aan te brengen aan beide kanten van de zonnecel. Dit om het licht maximaal in de perovskietlaag binnen te laten dringen en om de elektrische stroom optimaal eraan te onttrekken. Schropp: “En dat alles terwijl de cellen robuuster worden in het gebruik.”

Bron: Persteam TU/e