Onderzoekers verbeteren de duurzaamheid van goedkope zonnecellen gemaakt van kristallen van nanoformaat

Een internationaal team van onderzoekers heeft een nieuwe techniek ontwikkeld om de duurzaamheid van omgekeerde perovskiet-zonnecellen te verbeteren – een belangrijke stap in de richting van commercialisering van een opkomende fotovoltaïsche technologie die de kosten van zonne-energie aanzienlijk zou kunnen verlagen.

In tegenstelling tot traditionele zonnecellen, die zijn gemaakt van wafels van extreem zuiver silicium, zijn perovskietzonnecellen opgebouwd uit kristallen van nanoformaat. Deze perovskietkristallen kunnen in een vloeistof worden gedispergeerd en door spincoating op een oppervlak worden aangebracht met behulp van goedkope, gevestigde technieken.

Het is ook mogelijk om de golflengten van het licht dat door de perovskieten wordt geabsorbeerd, af te stemmen door de dikte en chemische samenstelling van de kristalfilms aan te passen. Perovskietlagen die op verschillende golflengten zijn afgestemd, kunnen zelfs op elkaar of op traditionele siliciumcellen worden gestapeld, wat leidt tot “tandemcellen” die meer van het zonnespectrum absorberen dan de apparaten van vandaag.

Het nieuwste werk, gepubliceerd in het tijdschrift Wetenschapinclusief onderzoekers van de Universiteit van Toronto, Northwestern University, de Universiteit van Toledo en de Universiteit van Washington.

“Perovskiet-zonnecellen hebben het potentieel om de inherente efficiëntiebeperkingen van siliciumzonnecellen te overwinnen”, zegt co-auteur Ted Sargent, die onlangs toetrad tot de afdeling chemie en de afdeling elektrische en computertechniek aan de Northwestern University, maar verbonden blijft aan U van T Engineering, waar hij een onderzoekslaboratorium heeft.

“Ze zijn ook vatbaar voor productiemethoden die veel lagere kosten hebben dan die voor silicium. Maar een plaats waar perovskieten nog steeds achterblijven bij silicium, is hun duurzaamheid op lange termijn. In deze studie hebben we een rationele ontwerpbenadering gebruikt om dat aan te pakken op een nieuwe en unieke manier.”

In de afgelopen jaren hebben Sargent en zijn medewerkers verschillende vorderingen gemaakt die de prestaties van perovskiet-zonnecellen verbeteren. Maar terwijl veel van dit eerdere werk gericht was op het verbeteren van de efficiëntie, kijkt hun nieuwste werk naar de uitdaging van duurzaamheid.

“Een belangrijk punt van kwetsbaarheid in dit soort zonnecellen is de interface tussen de perovskietlaag en de aangrenzende lagen, die we dragertransportlagen noemen”, zegt Chongwen Li, een postdoctoraal onderzoeker die onlangs is verhuisd naar U of T Engineering van de Universiteit van Toledo en is een van de hoofdauteurs van het artikel.

“Deze aangrenzende lagen onttrekken de elektronen of gaten die door het circuit zullen stromen. Als de chemische binding tussen deze lagen en de perovskietlaag wordt beschadigd door licht of hitte, kunnen elektronen of gaten niet in het circuit komen – dit verlaagt de algehele efficiëntie van de cel’, zegt Li.

Om dit probleem aan te pakken, ging het internationale onderzoeksteam terug naar de eerste principes. Ze gebruikten computersimulaties op basis van dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT) om te voorspellen wat voor soort moleculen het beste zouden zijn in het creëren van een brug tussen de perovskietlaag en de ladingtransportlagen.

“Eerder onderzoek heeft aangetoond dat moleculen die bekend staan ​​als Lewis-basen goed zijn voor het creëren van een sterke binding tussen deze lagen”, zegt Bin Chen, een postdoctoraal onderzoeker in het laboratorium van Sargent, die nu onderzoeksassistent-professor is aan de Northwestern University en co-auteur van de krant.

“Dit komt omdat het ene uiteinde van het molecuul zich bindt aan de loodatomen in de perovskietlaag en het andere uiteinde aan het nikkel in de dragertransportlagen. Wat onze simulaties voorspelden, was dat Lewis-zuren, die het element fosfor bevatten, het beste zouden hebben effect.”

In het lab probeerde het team verschillende formuleringen van fosforhoudende moleculen uit. Hun experimenten lieten de beste prestaties zien met een materiaal dat bekend staat als 1,3-bis(difenylfosfino)propaan of DPPP.

Het team bouwde omgekeerde perovskiet-zonnecellen die DPPP bevatten, maar ook enkele zonder. Ze onderwierpen beide typen aan tests die het soort omstandigheden simuleerden dat zonnecellen in het veld zouden ervaren, en ze verlichtten met licht met een vergelijkbare intensiteit als de zon. Ze probeerden ze ook bloot te stellen aan hoge temperaturen, zowel in het licht als in het donker.

“Met DPPP, onder omgevingsomstandigheden – dat wil zeggen, geen extra verwarming – bleef de algehele energieconversie-efficiëntie van de cel ongeveer 3.500 uur hoog”, zegt Li.

“De perovskiet-zonnecellen die eerder in de literatuur zijn gepubliceerd, hebben de neiging om na 1.500 tot 2.000 uur een aanzienlijke daling van hun efficiëntie te zien, dus dit is een grote verbetering.”

Li zegt dat het team patent heeft aangevraagd voor de DPPP-techniek en al interesse heeft gekregen van commerciële zonnecelfabrikanten.

“Ik denk dat we een nieuwe weg voorwaarts hebben laten zien – dat DFT-simulaties en rationeel ontwerp de weg kunnen wijzen naar veelbelovende oplossingen”, zegt hij.

“Maar misschien zijn er nog betere moleculen. Uiteindelijk willen we een punt bereiken waar perovskiet-zonnecellen commercieel kunnen concurreren met silicium, de ultramoderne fotovoltaïsche technologie van vandaag. Dit is een belangrijke stap in die richting, maar er is nog een weg te gaan.”