Geheimen veelbelovend zonnecelmateriaal ontrafeld

Het meest gebruikte materiaal voor zonnecellen is op dit moment silicium. Een groot nadeel van zonnecellen uit dit materiaal is dat het productieproces omslachtig en relatief kostbaar is. "Een van de mogelijke alternatieven zijn zonnecellen op basis van op perovskieten", zegt dr. Tom Savenije, onderzoeker aan de TU Delft. Savenije: "Interessant is daarbij dat perovskieten gemaakt worden uit zeer goedkope uitgangsstoffen en dat de processing relatief eenvoudig is, vergelijkbaar met die van organische zonnecellen." 

Rendement

Perovskieten zijn materialen die qua structuur lijken op calciumtitaniumoxide, een mineraal dat vernoemd is naar de mineraloog Perovski. Er wordt pas vrij recent onderzoek gedaan naar metaal halide perovskieten als fotoactieve laag voor zonnecellen.  

"De resultaten en de vooruitgang in korte tijd zijn spectaculair te noemen", zegt Savenije. "De behaalde efficiëntie van de zonnecellen (weliswaar onder laboratoriumcondities) stijgt extreem snel. In 2009 lag dit op 3% en in 2016 zaten we al op 22%, vergelijkbaar met het rendement van polykristallijn silicium zonnecellen. Dit heeft in de wetenschap tot veel enthousiasme geleid voor onderzoek naar perovskieten."

Direct en indirect

Omdat het onderzoek naar perovskieten nog aan het begin staat, weten we nog lang niet alles over de fundamentele eigenschappen. In de publicatie in Nature Materials ontrafelen promovenda Eline Hutter en collega’s de werking van perovskieten als zonnecelmateriaal. "Wij laten experimenteel zien dat perovskieten (in dit geval methylammoniumloodjodide) de goede eigenschappen combineren van zogenoemde directe halfgeleiders, zoals GaAs, en die van indirecte halfgeleiders, zoals silicium", aldus Hutter.

Het creëren van ladingsdragers in perovskieten gebeurt door excitatie van elektronen met zonlicht, vergelijkbaar met excitaties in het halfgeleidermateriaal GaAs. Het omgekeerde van excitatie is recombinatie van ladingen; een proces dat je in een zonnecel zoveel mogelijk wil beperken. Recombinatie blijkt in perovskieten op een indirecte, en dus op een langzame manier plaats te vinden zoals bij silicium. "Deze combinatie van eigenschappen van directe en indirecte halfgeleiders, is zeer gunstig." 

Beperkingen

Savenije erkent dat er nog wel obstakels zijn voordat zonnecellen op basis van perovskieten echt grootschalig zullen worden toegepast. "Er zijn twee belangrijke minpunten te noemen: ten eerste bevat het materiaal lood, zij het in kleine hoeveelheden. Een ander punt is de degradatie van het materiaal door vocht. Gezien de grote potentiële voordelen van perovskieten, wordt er door vele

onderzoeksgroepen in de wereld hard gewerkt aan het oplossen van deze obstakels."  

Voor de publicatie in Nature Materials: Direct-Indirect Character of the Band Gap in Methylammonium Lead Iodide Perovskite, is samengewerkt met onderzoekers van MIT en Cavendish Laboratory. Eerste auteur is Eline Hutter van de TU Delft.