Zonnecel van de toekomst

Zijn unieke kristalstructuur en bijzondere eigenschappen maken van perovskiet een veelbelovende kandidaat voor de zonnecel van de toekomst. Maar voordat het zover is, moeten eerst nog flink wat uitdagingen worden overwonnen. In zijn thesis biedt Mike Pols meer inzicht in de processen binnen dit materiaal – kennis die kan bijdragen aan het verbeteren van de stabiliteit van perovskieten.

Dankzij zijn dubbele bachelor en master heeft Pols zowel een achtergrond in scheikunde als natuurkunde – precies de expertise die nodig is voor zijn onderzoek naar materialen voor elektronische toepassingen, zoals zonnecellen, LED’s en fotodetectoren. Op 20 februari verdedigde hij zijn proefschrift cum laude aan de faculteit Applied Physics & Science Education van de TU Eindhoven.

“In onze onderzoeksgroep bestuderen we welke processen in het materiaal plaatsvinden, met als doel het materiaal te verbeteren voor verschillende toepassingen”, legt hij uit. “In tegenstelling tot sommige andere groepen doen we dit puur op basis van simulaties.”

Hij houdt zich bezig met halide perovskieten, die de potentie hebben om silicium te vervangen en de basis te vormen voor een nieuwe generatie zonnepanelen. Dit doordat ze heel goed licht absorberen en makkelijker en goedkoper te maken zijn dan siliciumzonnecellen, terwijl ze bijna dezelfde efficiëntie bieden. Ook wegen ze niet veel.

Het grootste nadeel is dat het materiaal erg instabiel is en snel uit elkaar valt: huidige perovskieten blijven normaal gesproken hooguit drie maanden stabiel. Gelukkig is het materiaal bijzonder modulair, wat betekent dat de chemische samenstelling en kristalstructuur van perovskieten relatief eenvoudig kunnen worden aangepast door verschillende elementen toe te voegen of eruit te halen.

Daarnaast is het mogelijk om zogeheten chiraliteit te creëren – een asymmetrie in de chemische structuur, waardoor het materiaal licht op een andere manier absorbeert.

Al deze mogelijkheden maken perovskieten bijzonder veelzijdig. “In theorie kunnen we het stabiliteitsprobleem oplossen door de structuur aan te passen”, zegt Pols. “Maar daarvoor moeten we eerst begrijpen wat er precies gebeurt. Op dit moment weten we nog niet goed waarom het materiaal uit elkaar valt.”

En dat is precies wat Pols onderzoekt. “Uit experimenten blijkt dat de chemische structuur met de tijd verandert, waardoor het materiaal zijn oorspronkelijke functionaliteit verliest. Dit proces is intrinsiek en treedt vanzelf op, vergelijkbaar met veroudering, maar wordt versneld door externe factoren zoals blootstelling aan zuurstof en water. In het lab kunnen we zien dat de structuur is veranderd, maar niet tot op atoomniveau. Ik onderzocht wat er precies gebeurt op atomaire schaal. Waar en onder welke omstandigheden valt het materiaal uit elkaar?”

Simulaties

Om dat te achterhalen, voerde hij simulaties uit. “Je kunt een digitaal model van de materiaalstructuur maken en vervolgens een klein defect aanbrengen door een atoom te verwijderen. Vervolgens observeer je wat er gebeurt”, licht hij toe. “Zo ontdekten wij bijvoorbeeld dat niet alle defecten slecht zijn of tot instabiliteit leiden. De vervolgstap was te bepalen welke defecten het materiaal juist instabiel maken. Als je die slechte defecten kunt identificeren, kun je in een volgende fase onderzoeken hoe je hun vorming in het materiaal kunt voorkomen.”

Een probleem met simulaties is dat de kwaliteit van de output afhankelijk is van de kwaliteit van je model, oftewel in hoeverre dat overeenkomt met de realiteit. Om nauwkeurige data te krijgen, is het dus belangrijk om een goed model te hebben.

“De helft van mijn tijd was ik bezig om een model zodanig te trainen met data dat het een goede benadering zou zijn van de werkelijkheid, de rest van de tijd gebruikte ik het model voor de simulaties”, vertelt Pols.

Virtuele microscoop

Met deze simulaties liet hij zien hoe de defecten precies door het materiaal gaan en wat het effect daarvan is op de stabiliteit. “Ik creëerde eigenlijk een soort virtuele microscoop, waarmee je op atoomniveau kunt kijken naar wat er precies gebeurt”, vat hij samen. “Dit draagt bij aan een dieper begrip van het materiaal en wat we tijdens experimenten waarnemen.”

“Experimenten lopen vaak voor op simulaties. We zien veel dingen, maar kunnen ze nog niet helemaal begrijpen. Mijn onderzoek schept hier meer duidelijkheid over”, zegt hij. “Nu ligt de bal weer bij de experimenten. Andere onderzoekers kunnen met deze bevindingen verder werken en kijken of ze dit in het lab kunnen aantonen en meten. Zo ja, dan kan dit doorvertaald worden naar processen en uiteindelijk naar concrete toepassingen, zoals zonnecellen.”

Bron: Cursor / Martina Silbrníková