Waarom licht zonnecellen van perovskiet kan ontmengen

Het onderzoek is gepubliceerd in Nature Communications.

Perovskiet is een aantrekkelijk alternatief voor silicium als materiaal voor het maken van zonnecellen: het is ruimschoots voorradig en gemakkelijk te produceren. Bovendien zijn de prestaties van perovskietzonnecellen in het afgelopen decennium sterk verbeterd, met een rendement van meer dan 25 procent. Dat komt dicht in de buurt van de beste siliciumzonnecellen.

Perovskietzonnepanelen zijn meestal gemaakt van halogenideverbindingen, een combinatie van organische materialen zoals methylammonium of formamidinium, metaal (meestal lood of tin) en halogeniden zoals bromide of jodide. Het nieuwe onderzoek is toegespitst op vijf populaire halogenideverbindingen, waarin zowel die bromide als jodide is gebruikt.

Juist deze combinatie werkt erg goed, omdat je daarmee de zogenaamde ‘verboden zone’, ofwel de minimale hoeveelheid fotonenergie die nodig is om in het materiaal elektriciteit op te wekken, precies kan ‘finetunen’. Dit is vooral nuttig bij zogenaamde tandemzonnecellen, waarbij perovskiet gecombineerd wordt met silicium en waarbij een perfecte afstemming van de zones nodig is om optimale prestaties te garanderen.

Het raadsel van ontmenging

Er zit echter een addertje onder het gras. Hoewel zonlicht de perovskietcellen voorziet van de fotonenergie die ze nodig hebben om elektriciteit te produceren, tast het ook hun stabiliteit aan. Na verloop van tijd beïnvloedt dit hun prestaties. Hoewel deze haat-liefdeverhouding tussen perovskieten en de zon onder onderzoekers al lang bekend is, is de precieze oorzaak nog altijd een raadsel.

"Om te zien wat er aan de hand is, moet je kijken naar wat er zich op atomair niveau afspeelt wanneer licht op een zonnecel valt", zegt Peter Bobbert, hoogleraar aan de faculteit Applied Physics en een van de onderzoekers. "De fotodragers (elektronen en gaten), die door de binnenkomende fotonen worden gecreëerd, hebben de neiging zich te verzamelen op plaatsen waar de verboden zone het kleinst is, in dit geval de jodide-rijke gebieden die spontaan in de verbinding ontstaan."

Dit brengt, mits er voldoende licht is, een kettingreactie op gang waarbij zich steeds meer jodide ophoopt in de jodiderijke gebieden, en steeds meer bromide wordt verdreven. De verbinding ‘ontmengt’ als het ware. Dit proces leidt ertoe dat de elektriciteit producerende fotodragers vast komen te zitten in de kleine verboden zones, wat de efficiëntie van de cel ernstig belemmert.

Vrije energie

De onderzoekers hebben een theoretisch model ontwikkeld dat kan verklaren waarom dit gebeurt. "Onze theorie voor halogenide ontmenging kijkt naar de totale vrije energie van het perovskiet in de zonnecellen, zowel in het donker als wanneer de cel wordt blootgesteld aan zonlicht.

"Aangeslaten fotodragers hebben de neiging zich te verplaatsen naar gebieden waar hun vrije energie het laagst is, in dit geval de gebieden met de kleinste verboden zone. Door dit proces te analyseren, konden we voor elke verbinding stabiele, metastabiele en onstabiele gebieden onderscheiden, afhankelijk van de temperatuur, de lichtomstandigheden en de bromide-concentratie".

Oplossingen

Het mooie van de theorie is dat zij uitzicht biedt op mogelijke oplossingen voor het probleem van ontmenging. De meest voor de hand liggende oplossing is het beperken van het licht dat op de cel valt, maar dat zou de efficiëntie nadelig beïnvloeden. Een meer veelbelovende manier is het veranderen van de hoeveelheid bromide in de verbinding.

"Op basis van onze berekeningen kun je precies voorspellen hoeveel bromide je aan de verbinding kunt toevoegen om de verboden zone te vergroten zonder dat de verbinding onstabiel wordt," aldus Bobbert. "Door niet te veel bromide toe te voegen, kun je ontmenging voorkomen, terwijl je tegelijkertijd toch een redelijk grote verboden zone bereikt die goed werkt voor tandemcellen."

In het artikel wordt het voorbeeld gegeven van een zonnecel van cesium-lood die stabiel is tot 42 procent bromideconcentratie (onder normale temperatuur- en zonlichtomstandigheden). Dit zou een maximale verboden zone van 1,94 eV moeten garanderen, meer dan voldoende voor de toplaag in een efficiënte tandem-zonnecel.

Volgens de onderzoekers, die samenwerken in het Center for Computational Energy Research, is de theorie zeer flexibel. Daarmee is ze toepasbaar op andere halfgeleidermaterialen, waarbij de verboden zone wordt afgestemd door het gebruik van speciale legeringen, en op gevallen die nog niet zijn onderzocht, zoals veranderingen in de verboden zone als gevolg van rek.