- Onderzoek
- 03/04/2023
Sluitstuk | Supergevoelige meettechniek leidt tot betere zonnecel
Om voldoende duurzame energie op te wekken, wordt steeds meer ingezet op zonne-energie. De huidige zonnepanelen met silicium als basisbestanddeel zijn betaalbaar en betrouwbaar. Maar het gebruik van het relatief nieuwe perovskiet moet de efficiëntie van de zonnecel een flinke boost gaan geven. TU/e-onderzoeker Bas van Gorkom ontwikkelde een supergevoelige techniek die defecten in het kristalrooster van perovskiet kan meten. Belangrijk, want een betere kwaliteit kristallen kan perovskiet stabieler maken.
In het donker - extreem donker- en weg van trillingen en ruis. Zo voerde PhD-student Bas van Gorkom zijn experimenten de afgelopen jaren uit. Toch was het geen duistere periode, grapt hij lachend. Integendeel. Want liepen de metingen eenmaal, dan kon hij zelf gewoon weer richting daglicht. Met een bijzondere opstelling ontwikkelde Van Gorkom een zeer gevoelige meettechniek die inzicht in het kristalrooster van perovskiet verschaft. Maandag 3 april verdedigt hij zijn promotieonderzoek aan de Faculteit Chemical Engineering and Chemistry.
Dynamische bindingen
Het merendeel van de huidige zonnecellen is gebaseerd op kristallijn silicium. Sinds iets meer dan tien jaar wordt ook perovskiet als basis gebruikt. De materiaal- en productiekosten zijn laag, het kost relatief weinig energie om een perovskiet zonnecel te maken en het productieproces is relatief eenvoudig. Deze nieuwste technologie wordt vaak als veelbelovend omschreven, zeker in het gebruik van tandemcellen. In de gecombineerde zonnecel liggen een perovskiet en silicium zonnecel op elkaar gestapeld om een nog hoger rendement te krijgen. Perovskiet kent echter enkele belangrijke nadelen die uitrol op grote schaal nog verhinderen, legt Van Gorkom uit. “De bindingen tussen de atomen in silliciumkristallen zijn heel stevig, waardoor het materiaal heel stabiel is. Perovskietkristallen bevatten ionen, positieve en negatieve deeltjes, waarvan de bindingen veel dynamischer zijn. Als ze belicht worden kunnen deze deeltjes gaan bewegen, en dat geeft problemen voor de langdurige stabiliteit. Een zonnecel die niet stabiel is onder belichting is natuurlijk niet wenselijk. Onderzoek naar het verbeteren van de stabiliteit van perovskiet is daarom essentieel."
Van Gorkom nam daarvoor het kristalrooster van perovskiet onder de loep. “Je kent die plaatjes van prachtige symmetrische 3-D kristalstructuren, bolletjes en lijntjes die een wiskundig model vormen. Helaas is de praktijk nooit perfect. Een kristalrooster kent altijd defecten. Deeltjes die ontbreken of op een verkeerde plaats in het kristalrooster zitten. In een zonnecel zie je dat terug in het voltageverlies, dat uiteindelijk de efficiëntie omlaag haalt.”
Een kabel maakt het verschil
Het meten van defecten in het perovskiet kristalrooster is echter niet zo eenvoudig en wordt nu veelal aan de hand van computersimulaties gedaan. Binnen de vakgroep van Van Gorkom, Molecular Materials and Nanosystems, wordt al sinds langere tijd onderzocht hoe er in echte perovskietkristallen gemeten kan worden. Dat kan nu in mini-zonnecellen, met een zeer gevoelige fotostroommeting die Van Gorkom en zijn collega’s ontwikkelden. In het kort wordt per zonnecel voor iedere golflengte van het licht bekeken welk percentage van de lichtdeeltjes als elektron uit die zonnecel komen. “Idealiter zou elk lichtdeeltje dat door de zonnecel wordt geabsorbeerd tot een elektron leiden. Door een indirecte methode kunnen we nu ladingen in aanwezige defecten meten, in de vorm van een minuscuul beetje stroom. En dat kunnen we heel nauwkeurig, zelfs als één op de honderdmiljoen lichtdeeltjes in een elektron wordt omgezet kunnen we dat zien.”
De grote truc zit hem volgens Van Gorkom juist in de details. “We zijn veel tijd kwijt geweest om deze gevoeligheid te bereiken. Het ruisniveau moet zo ver mogelijk naar beneden gedrukt worden, een kabel kan het verschil maken. In onze opstelling - die in een aparte kamer op een extra stabiele plek staat - zitten daarom speciale elektrische componenten. Het is ook niet zomaar na te bouwen, wereldwijd staat er op slechts één andere locatie een zelfde meetinstrument. We zijn nu in staat heel specialistische metingen uit te voeren, en krijgen ook aanvragen van buitenaf. Doordat we de defecten nu in echt materiaal kunnen laten zien, kunnen we heel gericht gaan kijken welke componenten resulteren in een stabieler perovskiet, tot op het kleinste niveau.”
Discussie