Hoe kunnen perovskiet-zonnecellen op lange termijn stabiel blijven?

De laatste jaren worden perovskietmaterialen snel een populaire kandidaat voor zonne-energie. Een van de belangrijkste nadelen is echter dat het gemakkelijk ontleedt in direct zonlicht. Het goede nieuws is dat een team van onderzoekers van de University of California, Los Angeles (UCLA) zojuist een nieuwe coating heeft geïntroduceerd voor perovskiet fotovoltaïsche panelen met verbeterde stabiliteit in zonlicht.

Volgens een artikel dat onlangs in het tijdschrift Nature is gepubliceerd, hebben UCLA-onderzoekers de oorzaak van het probleem gevonden en een eenvoudige toepassingsoplossing voorgesteld die in het productieproces kan worden geïmplementeerd.

Materialen op basis van silicium hebben lange tijd een aanzienlijke positie ingenomen op het gebied van zonnecellen en er zijn maar weinig materialen die hieraan kunnen tippen in termen van efficiëntie, duurzaamheid, kosten, enzovoort.

In de afgelopen jaren, met de opkomst van onderzoek naar metaalhalogenide, groeien perovskieten echter snel uit tot een serieuze concurrent - naast de efficiëntie van materialen op basis van silicium, is het ook lichter, flexibeler en goedkoper.

Een probleem met perovskietmaterialen is echter dat ze gemakkelijk worden afgebroken in direct zonlicht, waardoor hun efficiëntie na verloop van tijd afneemt.

Eerdere pogingen van onderzoekers om macromoleculen, oude pigmenten, koolstofnanodots gemaakt van haar, tweedimensionale additieven, peperverbindingen en zelfs quantum dot-technologie toe te voegen, hebben geprobeerd de duurzaamheidsproblemen van perovskiet-zonnecellen te redden.

Gelukkig heeft het UCLA-team het mechanisme achter de ontbinding van perovskietmaterialen gevonden. Ironisch genoeg blijkt het fenomeen het resultaat te zijn van oppervlaktebehandelingsprocessen die zijn ontworpen om defecten te herstellen en hun efficiëntie te verhogen.

Het is gemeld dat het proces inhoudt dat het oppervlak wordt bedekt met een laag organische ionen, maar het onderzoeksteam vond het nadeel hiervan: energiedragende elektronen zullen zich ophopen op het oppervlak van het perovskiet fotovoltaïsche paneel.

Om het nog erger te maken, verstoort deze toestand op zijn beurt de rangschikking van de perovskietatomen, waardoor ze uiteindelijk in de loop van de tijd kapot gaan.

Met het oog hierop dacht het UCLA-team om positieve en negatieve ionenparen toe te voegen aan het oppervlaktebehandelingsproces om dit probleem op te lossen.

Dit helpt niet alleen om het oppervlak neutraal en stabiel te houden, het verstoort het oorspronkelijke preventieproces van defecten niet.

Om het effect van het nieuwe coatingproces te testen, voerden de onderzoekers een gesimuleerde versnelde verouderingstest uit van het verbeterde perovskiet-zonnepaneel in een omgeving met fel licht onder alle weersomstandigheden.

Het bleek dat de nieuwe technologie ervoor zorgde dat het perovskiet fotovoltaïsche paneel na 2,000 uur een conversie-efficiëntie van maximaal 87 procent kon behouden. In de onbehandelde controlegroep daalde het tot 65 procent.

Uiteindelijk zei co-auteur Shaun Tan van het onderzoek: "Onze perovskiet-zonnecellen bereiken het meest stabiele hoge rendement dat tot nu toe bekend is."

Tegelijkertijd heeft het UCLA-team ook nieuwe basiskennis gelegd waarop de gemeenschap deze multi-plane technologie verder kan ontwikkelen en verbeteren om het ontwerp van stabielere perovskiet-zonnecellen te bevorderen.