Perovskiet zonnepanelen voor het eerst stabiel

Een studie onder leiding van de KU Leuven legt voor het eerst uit hoe perovskieten gestabiliseerd kan worden. De stabilisatie maakt de kristallen zwart, waardoor ze zonlicht kunnen absorberen. Deze bevinding kan leiden tot zonnepanelen die gemakkelijk te maken zijn en zeer efficiënt. De studie werd gepubliceerd in Science.

Zonnecellen met pure perovskieten zijn veel efficiënter dan silicium in het omzetten van zonne-energie. Het probleem: de meest veelbelovende soort perovskieten, cesiumloodtriiodide (CsPbI3), is instabiel bij kamertemperatuur. Onder deze omstandigheden hebben ze een gele kleur, omdat de atomen in het kristal geen perovskietstructuur vormen. Opdat de kristallen zonlicht efficiënt kunnen absorberen om er elektriciteit van te maken, moeten ze deze structuur aannemen en behouden. Hierdoor worden de kristallen zwart.

"Silicium is een zeer sterk, star kristal. Als je erop drukt, verandert de vorm niet. Perovskieten zijn zachter en meer kneedbaar", zegt Julian Steele van de KU Leuven. "We kunnen ze onder verschillende laboratoriumomstandigheden stabiliseren, maar bij kamertemperatuur willen de zwarte perovskietatomen zichzelf herschikken, waardoor hun structuur verandert en de kristallen geel worden."

Samen met een internationaal team van wetenschappers ontdekte Steele dat de kristallen de gewenste zwarte toestand kunnen aannemen door een dunne laag van perovskieten aan een glasplaat te hechten. De perovskieten worden verhit tot 330 graden Celsius, waardoor ze uitzetten en zich aan het glas hechten. Na de verwarming worden de perovskieten onmiddellijk afgekoeld tot kamertemperatuur. Dit proces fixeert de atomen in de kristallen, waardoor hun beweging wordt beperkt en ze zwart blijven.

Wetenschappers stellen al enkele decennia vast dat perovskieten hun zwartheid kunnen behouden na verhitting, maar het is onduidelijk hoe dat precies komt. "In onze studie hebben we gekozen voor CsPbI3 omdat deze perovskieten erg goed presteren. Bovendien is het een van de meest onstabiele soorten perovskieten, wat betekent dat de methode die we beschreven hebben ook zou moeten werken voor andere onstabiele perovskieten."

Veel van de data die uit het onderzoek zijn verzameld bij de European Synchrotron Radiation Facility. Om de experimentele observaties op moleculaire schaal beter te begrijpen, ondersteunden collega’s van het Centrum voor Moleculaire Modellering (CMM) van de UGent het onderzoek met theoretische simulaties van de zwarte en gele fasen. Deze berekeningen waren nodig om te achterhalen waarom de perovskieten stabiel blijven als ze in een dunne film aan de laag glas worden gehecht.

Hoe de binding precies gebeurt, is nog steeds een raadsel. "Inzicht in hoe dit mechanisme werkt, is nodig om zonnepanelen te kunnen ontwikkelen die pure perovskietkristallen gebruiken," zegt Steele. "Er zijn drie pijlers die de kwaliteit van zonnecellen bepalen: prijs, stabiliteit en prestaties. Perovskieten scoren hoog op prestaties en prijs, maar hun stabiliteit is nog steeds een groot probleem. Aangezien het instapniveau om zonnepanelen met perovskieten te maken relatief laag is, kunnen ze bijvoorbeeld zeer gunstig zijn voor mensen in ontwikkelingslanden met een beperktere infrastructuur."