- Onderzoek
- 14/05/2019
Zonnecellen van perovskiet veel sterker dankzij fluoride
Perovskiet is een aantrekkelijk materiaal voor zonnecellen. Het is goedkoop, gemakkelijk te maken en bijna net zo rendabel als silicium, de gangbare grondstof in zonnecellen. Maar er zijn ook nadelen: perovskiet degradeert snel, wat nadelig is voor het rendement en de stabiliteit van de zonnecellen. Onderzoekers van onder meer de TU/e ontdekten dat een beschermlaagje van fluoride zorgt voor meer stabiliteit.
Na duizend uur onder extreme testomstandigheden behouden de perovskiet zonnecellen mét fluor negentig procent van hun rendement. De uitkomsten zijn gepubliceerd in Nature Energy.
Omdat zonnecellen van perovskiet zo goedkoop te maken zijn, wordt er de laatste jaren veel onderzoek naar gedaan. Hun rendement is dan ook flink gestegen, van minder dan 4 procent in 2009 tot ruim 24 procent op dit moment. Dat is bijna net zoveel als traditionele siliciumcellen. Met tandemcellen, een combinatie van silicium en perovskiet, is zelfs een rendement van meer dan 28 procent behaald.
Ondanks dit succes hebben perovskietcellen een aantal nadelen als gevolg van de aard van het materiaal en de manier waarop ze gemaakt worden. Op den duur zorgen leemtes in de atomaire structuur van de metaalhalide (de zogenaamde ‘vacatures’) ervoor dat het materiaal onder de invloed van vocht, licht en hitte degradeert.
Beschermend laagje
Onderzoekers van de TU/e, onderzoeksinstituut DIFFER, de Universiteit Twente en Peking University hebben geëxperimenteerd met een nieuw soort perovskiet, door een kleine hoeveelheid fluoride toe te voegen aan het productieproces. Net zoals bij fluoride in tandpasta, vormen de fluoride-ionen een beschermend laagje rond het kristal, waardoor zich geen schadelijke fouten kunnen verspreiden in het materiaal.
“Ons werk heeft de stabiliteit van de perovskietcellen aanzienlijk verbeterd”, zegt Shuxia Tao, onderzoeksleider bij het Center for Computational Energy Research, een samenwerkingsverband van de faculteit Technische Natuurkunde van de TU/e en DIFFER. “Onze zonnecellen behouden 90 procent van hun rendement na 1.000 uur onder extreme licht- en hittecondities. Dat is vele keren langer dan traditionele perovskietverbindingen. We hebben bovendien een rendement behaald van 21,3 procent. Dat is een prima startpunt voor verdere verbeteringen.”
Het Eindhovense team concludeert, op basis van computersimulaties, dat een deel van het succes is terug te voeren op de geringe afmetingen en hoge elektronegativiteit van fluoride-ionen. Hoe hoger de elektronegativiteit van een element, des te gemakkelijker trekt het elektronen aan van naburige elementen. De fluoride-ionen kunnen hierdoor een sterke binding aangaan met andere elementen in de perovskietverbinding, en vormen zo een stabiele beschermende laag.
(Lees verder onder illustratie)
Verder onderzoek
De studie wordt gezien als een belangrijke stap op weg naar het succesvolle toepassing van perovskietzonnecellen in de toekomst. Maar er is nog veel werk te doen. De gouden standaard in de zonne-energie-industrie gaat uit van een rendementbehoud van ten minste 85 procent na 10 à 15 jaar, en daar voldoen de perovskietcellen nog niet aan.
“We verwachten dat het nog tien tot vijftien jaar zal duren, voordat deze zonnecellen ook commercieel interessant worden. Niet alleen moeten we het rendement en de stabiliteit nog verder verbeteren, we willen ook een beter theoretisch begrip krijgen van de manier waarop deze mechanismen werken op atomaire schaal. We weten nog steeds niet precies waarom sommige materialen beter werken dan andere in het vergroten van de stabiliteit op lange termijn”, aldus Tao.
Discussie