Kalium verbetert zonnecel van perovskiet

Een eenvoudige kaliumoplossing kan de efficiëntie van de volgende generatie zonnecellen verhogen door ze in staat te stellen meer zonlicht om te zetten in elektriciteit. Kaliumjodide herstelt defecten in de kristalstructuur van perovskietzonnecellen en voorkomt ionenbeweging. Dat zijn zaken die er tot nu voor zorgden dat de efficiëntie beperkt bleef.

Zonnecellen zijn alleen efficiënt als lichtabsorptie resulteert in de vorming van vrije elektronen die worden afgevoerd voordat ze weer terugvallen in de grondtoestand. Hoe efficiënter dit afvoerproces, des te groter het rendement. Door fouten in het kristalrooster van perovskieten kunnen elektronen ‘vast komen te zitten’ voordat ze kunnen worden afgevoerd. Een ander probleem is dat negatief geladen ionen in de zonnecel kunnen gaan bewegen onder belichting. Dit ionentransport kan leiden tot een lokale verandering in de bandenkloof, waardoor het afvoerproces van elektronen stagneert en er minder stroom gegenereerd wordt.

In een internationaal onderzoeksteam onder leiding van Cambridge University hebben onderzoekers van de TU Delft ontdekt dat toevoeging van kaliumjodide aan perovskieten de gebreken verwijdert en ionenbeweging verhindert. "Tot nu toe zijn we er niet in geslaagd om deze materialen stabiel te maken met de bandenkloof die we nodig hebben, dus hebben we geprobeerd om de ionenbeweging te stoppen door de chemische samenstelling van de perovskietlagen aan te passen", vertelt onderzoeksleider Sam Stranks van het Cavendish Laboratory in Cambridge. "Hierdoor zouden perovskieten kunnen worden gebruikt als multifunctionele zonnecellen of als gekleurde leds; dat zijn in feite zonnecellen die omgekeerd werken."

Schaalbaar en goedkoop

De onderzoekers veranderden de chemische samenstelling van de perovskietlagen door kaliumjodide toe te voegen aan de inkt die de perovskiet uitgangstoffen bevat. De techniek is schaalbaar en goedkoop. De onderzoekers hebben veelbelovende prestaties laten zien met perovskietzonnecellen die ideaal zijn om te combineren met een siliciumzonnecel of een perovskietzonnecel met een andere bandenkloof: dit vormt een zogenaamde tandemzonnecel. In tandemzonnecellen kan zonlicht efficiënter worden benut uit een breder deel van het zonnespectrum. "We constateerden dat het transport van vrije elektronen in de perovskietlaag verbeterde wanneer we kleine hoeveelheden kalium toevoegden", zegt Eline Hutter van de TU Delft. "Hierdoor worden elektronen beter afgevoerd en dit verbetert het rendement van de zonnecellen."

De perovskietcellen met kalium lieten in tests een goede stabiliteit zien. Het rendement van de omzetting van licht in elektriciteit was 21,5%, vergelijkbaar met de beste perovskietzonnecellen en niet veel minder dan het maximaal verkregen rendement van zonnecellen op basis van mono-kristallijn silicium (<27%). Tandemcellen met een ideale bandenkloof hebben een theoretische rendementslimiet van 45% en een praktische limiet van 35%: allebei hoger dan de huidige praktische rendementslimieten voor silicium.