Zeer efficiënte op formamidinium gebaseerde perovskiet-zonnecellen met een levensduur van meer dan 2000 uur

Zonnecellen, die zonlicht omzetten in elektriciteit, maken al lang deel uit van de wereldwijde visie op hernieuwbare energie. Hoewel individuele cellen erg klein zijn, kunnen ze, wanneer ze worden opgeschaald naar modules, worden gebruikt om batterijen op te laden en lampen aan te zetten. Als ze naast elkaar worden gelegd, kunnen ze op een dag de primaire energiebron voor gebouwen zijn. Maar de zonnecellen die momenteel op de markt zijn, maken gebruik van silicium, waardoor ze duur zijn om te fabriceren in vergelijking met meer traditionele stroombronnen.

Dat is waar een ander, relatief nieuw voor de wetenschap, materiaal binnenkomt – metaalhalogenideperovskiet. Wanneer deze in het midden van een zonnecel is genesteld, zet deze kristallijne structuur ook licht om in elektriciteit, maar tegen veel lagere kosten dan silicium. Bovendien kunnen op perovskiet gebaseerde zonnecellen worden gefabriceerd met zowel stijve als lenige substraten, zodat ze niet alleen goedkoper zijn, maar ook lichter en flexibeler kunnen zijn. Maar om echt potentieel te hebben, moeten deze prototypes in omvang, efficiëntie en levensduur toenemen.

Nu, in een nieuwe studie, gepubliceerd in Nano-energie, hebben onderzoekers van de Energy Materials and Surface Sciences Unit, geleid door professor Yabing Qi, van de Okinawa Institute of Science and Technology Graduate University (OIST) aangetoond dat het op een andere manier creëren van een van de grondstoffen die nodig zijn voor perovskieten, de sleutel kan zijn tot het succes van deze cellen.

“Er is een noodzakelijk kristallijn poeder in perovskieten genaamd FAPbI₃, die de absorberende laag van de perovskiet vormt,” verklaarde een van de hoofdauteurs, Dr. Guoqing Tong, postdoctoraal geleerde in de eenheid. “Voorheen werd deze laag gefabriceerd door twee materialen te combineren – PbI2 en FAI. De reactie die plaatsvindt produceert FAPbI3. Maar deze methode is verre van perfect. Er zijn vaak restanten van een of beide originele materialen, die de efficiëntie van de zonnecel kunnen belemmeren.”

Om dit te omzeilen, synthetiseerden de onderzoekers het kristallijne poeder met behulp van een nauwkeuriger poedertechniekmethode. Ze gebruikten nog steeds een van de grondstoffen – PbI₂— maar ook extra stappen, waaronder het opwarmen van het mengsel tot 90 graden Celsius en het zorgvuldig oplossen en filteren van eventuele restjes. Dit zorgde ervoor dat het resulterende poeder van hoge kwaliteit en structureel perfect was.

Een ander voordeel van deze methode was dat de stabiliteit van de perovskiet bij verschillende temperaturen toenam. Toen de absorberende laag van de perovskiet werd gevormd uit de oorspronkelijke reactie, was deze stabiel bij hoge temperaturen. Bij kamertemperatuur veranderde het echter van bruin naar geel, wat niet ideaal was om licht te absorberen. De gesynthetiseerde versie was zelfs bij kamertemperatuur bruin.

In het verleden hebben onderzoekers een op perovskiet gebaseerde zonnecel gemaakt met een efficiëntie van meer dan 25 procent, vergelijkbaar met zonnecellen op basis van silicium. Maar om deze nieuwe zonnecellen buiten het laboratorium te brengen, is een schaalvergroting en stabiliteit op de lange termijn noodzakelijk.

“Zonnecellen op laboratoriumschaal zijn klein”, zegt prof. Qi. “De grootte van elke cel is slechts ongeveer 0,1 cm². De meeste onderzoekers concentreren zich hierop omdat ze gemakkelijker te maken zijn. Maar qua toepassingen hebben we zonnepanelen nodig, die veel groter zijn. Ook de levensduur van de zonnecellen is iets waar we rekening mee moeten houden. Hoewel eerder een efficiëntie van 25 procent werd behaald, was de levensduur hooguit enkele duizenden uren. Daarna begon de efficiëntie van de cel af te nemen.”

Met behulp van het gesynthetiseerde kristallijne perovskietpoeder bereikte Dr. Tong, samen met Dr. Dae-Yong Son en de andere wetenschappers in Prof. Qi’s Unit, een conversie-efficiëntie van meer dan 23 procent in hun zonnecel, maar de levensduur was meer dan 2000 uur. Toen ze opschaalden naar zonnepanelen van 5x5cm2, behaalden ze nog steeds meer dan 14 procent efficiëntie. Als proof of concept fabriceerden ze een apparaat dat een perovskiet-zonnemodule gebruikte om een ​​lithium-ionbatterij op te laden.

Deze resultaten vertegenwoordigen een cruciale stap naar efficiënte en stabiele op perovskiet gebaseerde zonnecellen en -modules die ooit buiten het laboratorium zouden kunnen worden gebruikt. “Onze volgende stap is om een ​​zonnepaneel te maken van 15 x 15 cm² en heeft een efficiëntie van meer dan 15 procent,” zei Dr. Tong. “Op een dag hoop ik dat we een gebouw bij OIST van stroom kunnen voorzien met onze zonnepanelen.”