Zeer efficiënte perovskiet-zonnecellen met verbeterde stabiliteit en minimale loodlekkage

Hoewel de energieomzettingsefficiëntie van perovskiet-zonnecellen (PVSC’s) – een toekomst van zonnecellen – in het afgelopen decennium al sterk is verbeterd, moeten de problemen van instabiliteit en mogelijke milieu-impact nog worden overwonnen. Onlangs hebben wetenschappers van de City University of Hong Kong (CityU) een nieuwe methode ontwikkeld die tegelijkertijd het lekken van lood uit PVSC’s en het stabiliteitsprobleem kan aanpakken zonder de efficiëntie in gevaar te brengen, waardoor de weg wordt geëffend voor echte toepassing van perovskiet-fotovoltaïsche technologie.

Het onderzoeksteam wordt samen met professor Xu Zhengtao en Dr. Zhu Zonglong van het Departement Chemie geleid door professor Alex Jen Kwan-yue, Provost van CityU en hoogleraar Chemie en Materiaalkunde. Hun onderzoeksresultaten zijn onlangs gepubliceerd in het wetenschappelijke tijdschrift Natuur Nanotechnologie, getiteld “2-D metaal-organisch raamwerk voor stabiele perovskiet-zonnecellen met minimale loodlekkage.”

Momenteel is de hoogste energieconversie-efficiëntie van PVSC’s vergelijkbaar met de modernste op silicium gebaseerde zonnecellen. De gebruikte perovskieten bevatten echter een loodcomponent die aanleiding geeft tot bezorgdheid over mogelijke milieuverontreiniging. “Naarmate de zonnecel ouder wordt, kan de leidende soort door de apparaten lekken, bijvoorbeeld door regenwater in de bodem, wat een giftigheidsbedreiging vormt voor het milieu”, legt professor Jen uit, een expert op het gebied van PVSC’s. “Om PVSC’s op grote schaal commercieel te kunnen gebruiken, vereist het niet alleen een hoge energieconversie-efficiëntie, maar ook langdurige apparaatstabiliteit en een minimale impact op het milieu.”

In samenwerking met professor Xu wiens expertise materiaalsynthese is, leidden professor Jen en Dr. Zhu het team om de bovenstaande uitdagingen te overwinnen door tweedimensionale (2-D) metaal-organische raamwerken (MOF’s) toe te passen op PVSC’s. “Wij zijn het eerste team dat PVSC-apparaten fabriceert met minimale loodlekkage, goede stabiliteit op lange termijn en hoge energieconversie-efficiëntie,” vatte professor Jen hun onderzoeksdoorbraak samen.

Multifunctionele MOF-laag

Metaal-organisch raamwerk (MOF) -materialen zijn eerder toegepast als steigers om de groei van perovskieten te modelleren. Wetenschappers hebben ze ook gebruikt als additieven of oppervlakte-modificatoren om de defecten van perovskieten te passiveren (om de reactiviteit van het materiaaloppervlak te verminderen) om de prestaties en stabiliteit van het apparaat te verbeteren.

De meeste 3D-MOF’s zijn echter behoorlijk elektrisch isolerend met een lage mobiliteit van ladingsdragers, en daarom ongeschikt om als ladingtransporterende materialen te worden gebruikt.

Maar de MOF’s die zijn opgesteld door professor Xu zijn anders. Ze zijn honingraatachtig, 2-D-structuur uitgerust met talrijke thiolgroepen als sleutelfunctie. Ze beschikken over geschikte energieniveaus, waardoor ze een elektronen-extractielaag kunnen zijn (ook wel “elektronenverzamellaag” genoemd) waar elektronen uiteindelijk worden verzameld door de elektrode van de PVSC’s. “Onze moleculair geconstrueerde MOF’s hebben de eigenschap van een multifunctionele halfgeleider en kunnen worden gebruikt om de efficiëntie van ladingextractie te verbeteren”, legt professor Xu uit.

Het vangen van de loodionen om besmetting te voorkomen

Wat nog belangrijker is, is dat de dichte arrays van thiol- en disulfidegroepen in de MOF’s zware metaalionen kunnen “vangen” op het perovskiet-elektrode-grensvlak om loodlekkage te verminderen.

“Onze experimenten toonden aan dat de MOF die werd gebruikt als de buitenste laag van het PVSC-apparaat meer dan 80% van de gelekte loodionen uit het afgebroken perovskiet opvangde en in water onoplosbare complexen vormde die de grond niet zouden verontreinigen”, legt professor Jen uit. In tegenstelling tot de fysische inkapselingsmethoden die worden gebruikt bij het verminderen van loodlekkage in andere onderzoeken, bleek deze in-situ chemische sorptie van lood door de geïntegreerde MOF-component in het apparaat effectiever en duurzamer te zijn voor praktische toepassingen op de lange termijn.

Operationele stabiliteit op lange termijn bereikt

Bovendien zou dit MOF-materiaal perovskieten kunnen beschermen tegen vocht en zuurstof met behoud van een hoog rendement.

De energieconversie-efficiëntie van hun PVSC-apparaat gemodificeerd met MOF zou 22,02% kunnen bereiken met een vulfactor van 81,28% en een nullastspanning van 1,20 V. Zowel de conversie-efficiëntie als de geregistreerde nullastspanning behoren tot de hoogste waarden die zijn gerapporteerd voor de planaire omgekeerde PVSC’s. Tegelijkertijd vertoonde het apparaat superieure stabiliteit in een omgevingsomgeving met een relatieve vochtigheid van 75%, waarbij 90% van zijn aanvankelijke efficiëntie na 1100 uur werd behouden. Daarentegen daalde de efficiëntie van de energieomzetting van de PVSC zonder MOF aanzienlijk tot minder dan 50% van de oorspronkelijke waarde.

Ook behield hun apparaat 92% van zijn aanvankelijke efficiëntie onder continue lichtbestraling gedurende 1000 uur bij 85 ° C. “Een dergelijk niveau van stabiliteit voldoet al aan de norm voor commercialisering die is vastgesteld door de International Electrotechnical Commission (IEC)”, zei Dr. Zhu.

“Dit is een zeer significant resultaat dat bewees dat onze MOF-methode technisch haalbaar is en het potentieel heeft om de PVSC-technologie op de markt te brengen,” voegde professor Jen toe.

Zeer efficiënte PVSC’s voor toepassingen op het gebied van schone energie

Het kostte het team bijna twee jaar om dit veelbelovende onderzoek tot stand te brengen. Hun volgende stap zal zijn om de efficiëntie van de energieomzetting verder te verbeteren en manieren te onderzoeken om de productiekosten te verlagen.

“We hopen dat de productie van dit soort PVSC’s in de toekomst zou zijn als het ‘afdrukken’ van kranten en gemakkelijk opgeschaald kan worden in de productie, waardoor de grootschalige inzet van zeer efficiënte PVSC’s voor schone energietoepassingen wordt vergemakkelijkt”, concludeerde professor Jen.