Perovskiet-zonnecellen: de sleutel tot stabiliteit op de lange termijn

Perovskiet-zonnecellen zijn goedkoop te produceren en zeer efficiënt. Wanneer ze echter buiten en onder reële weersomstandigheden worden gebruikt, is het nog steeds de vraag hoe lang ze stabiel blijven. Dit onderwerp wordt nu behandeld door een internationale samenwerking onder leiding van Prof. Antonio Abate in het tijdschrift Nature Reviews Materials. De onderzoekers onderzochten de effecten van herhaalde thermische cycli op microstructuren en interacties tussen de verschillende lagen van perovskiet-zonnecellen. Conclusie: De doorslaggevende factor voor de afbraak van metaalhalideperovskieten is thermische spanning. Dit kan worden gebruikt om strategieën af te leiden om specifiek de stabiliteit van perovskiet-zonnecellen op de lange termijn te vergroten.

Perovskieten zijn een klasse materialen met halfgeleidende eigenschappen die ideaal zijn voor energieomzetting in een zonnecel. De beste daarvan, de metaalhalideperovskieten, leveren al rendementen tot 27%. Voor de productie van dergelijke dunnefilmzonnecellen is extreem weinig materiaal en energie nodig, waardoor zonne-energie aanzienlijk goedkoper zou kunnen worden. Bij gebruik buitenshuis zouden zonnepanelen echter minimaal 20 tot 30 jaar lang een vrijwel stabiele opbrengst moeten opleveren. En er is nog veel ruimte voor verbetering op het gebied van perovskietmaterialen.

Een internationale onderzoeksgroep onder leiding van prof. Antonio Abate heeft nu de resultaten van jarenlang werk gepubliceerd in een overzichtsartikel in het gerenommeerde tijdschrift Nature Reviews Materials . Samen met een team onder leiding van Prof. Meng Li van de Universiteit van Henan in China en andere partners in Italië, Spanje, Groot-Brittannië, Zwitserland en Duitsland tonen ze aan dat thermische spanningen de doorslaggevende factor zijn voor de afbraak van metaalhalideperovskieten.

"Hoewel inkapseling de cellen effectief kan beschermen tegen vocht en zuurstof uit de atmosfeer, worden ze bij gebruik buitenshuis nog steeds blootgesteld aan grote temperatuurschommelingen, dag en nacht en gedurende de seizoenen", aldus Abate. Afhankelijk van de geografische omstandigheden kunnen de temperaturen in de zonnecellen variëren van min 40 graden Celsius tot plus 100 graden Celsius (bijvoorbeeld in de woestijn).

Om dit te simuleren werden de perovskiet-zonnecellen in het onderzoek blootgesteld aan nog extremere temperatuurverschillen: van min 150 graden Celsius tot plus 150 graden Celsius, steeds opnieuw. Dokter Guixiang Li (destijds postdoc aan de HZB, nu hoogleraar aan de Southeast University in China) onderzocht hoe de microstructuur binnen de perovskietlaag veranderde tijdens de cycli en in hoeverre de interacties met de aangrenzende lagen ook veranderden in de loop van de temperatuurcycli.

Dit verminderde ook de prestaties van de cel. Met name de grote temperatuurschommelingen veroorzaakten thermische spanningen, zowel binnen de dunne perovskietfilm als tussen de verschillende aangrenzende lagen: “In een perovskietzonnecel moeten lagen van zeer verschillende materialen perfect contact met elkaar maken; “Helaas vertonen deze materialen vaak een heel ander thermisch gedrag”, legt Abate uit. Kunststoffen krimpen bijvoorbeeld bij verhitting, terwijl anorganische materialen juist uitzetten. Hierdoor wordt het contact tussen de lagen bij elke cyclus slechter. Daarnaast onderzocht het team ook lokale faseovergangen en de diffusie van elementen naar aangrenzende lagen.

Op basis hiervan hebben de onderzoekers een strategie ontwikkeld om de stabiliteit van perovskiet-zonnecellen op de lange termijn te vergroten. “Thermische stress is de sleutel”, zegt Abate. Het hoofddoel is om de perovskietstructuren en de aangrenzende lagen beter bestand te maken tegen thermische spanningen. Dit kan bijvoorbeeld door de kristalkwaliteit te verhogen, maar ook door gebruik te maken van geschikte bufferlagen. Om de stabiliteit bij temperatuurveranderingen gelijkmatig en correct te kunnen bepalen, zijn gestandaardiseerde testprotocollen noodzakelijk.