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. Samen met een internationaal onderzoeksteam, onder leiding van Cambridge University, ontdekten onderzoekers van de Technische Universiteit Delft dat de toevoeging van kaliumjodide aan perovskietzonnecellen defecten in de kristalstructuur herstelde en ionenbeweging voorkwam. Dat zijn zaken die er tot nu voor zorgden dat de efficiëntie beperkt bleef. De nieuwe generatie zonnecellen kunnen worden gebruikt als rendementsverhogende laag bovenop bestaande zonnecellen op siliciumbasis, of kunnen worden verwerkt tot op zichzelf staande zonnecellen of gekleurde leds. De resultaten zijn gepubliceerd in Nature.
Voor een nieuw type zonnecellen zijn recentelijk metaalhalideperovskieten gebruikt; een veelbelovende groep van halfgeleider materialen. Deze cellen kunnen wat rendement betreft al na enkele jaren van ontwikkeling concurreren met traditionele fotovoltaïsche technologieën, zoals zonnecellen van multikristallijn silicium. Bovendien zijn perovskieten goedkoop en gemakkelijk te produceren bij lage temperaturen, waardoor ze aantrekkelijk zijn voor commerciële toepassingen. Zonnecellen op basis van perovskieten kunnen worden gebruikt als zelfstandige zonnecellen, als gekleurde leds of als een rendementsverhogende topcel (bovenliggende cel) in zogeheten tandem-zonnecellen.
Elektronen opvangen
Zonnecellen zijn alleen efficiënt als lichtabsorptie resulteert in de vorming van vrije elektronen, die voordat ze weer terugvallen in de grondtoestand moeten worden afgevoerd. Hoe efficiënter dit afvoerproces, des te groter het rendement van de omzetting van zonlicht in elektriciteit. 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.
Samen met 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, waardoor het rendement en stabiliteit van perovskietzonnecellen verbetert. “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 dr. 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.
Ondersteuning
Eline Hutter is een door NWO gefinancierde promovenda bij de afdeling Chemical Engineering van de TU Delft. Het onderzoek is ook ondersteund door de Royal Society en de Engineering and Physical Sciences Research Council. Het internationale team werd geleid door de Universiteit van Cambridge. Naast de TU Delft waren er ook onderzoekers van de Universiteit van Sheffield in het Verenigd Koninkrijk en van de Universiteit van Uppsala in Zweden bij betrokken.
*******
Paper:
Mojtaba Abdi-Jalebi et al. ‘Maximising and Stabilising Luminescence from Halide Perovskites with Potassium Passivation.’ Nature (2018). DOI: 10.1038/nature25989
Contact:
Eline Hutter
Tel: +31 (0)15 2783460
E.M.Hutter@tudelft.nl
Tom Savenije
Tel: +31 (0)15 2786537
T.J.Savenije@tudelft.nl
Sarah Collins
Office of Communications, University of Cambridge
Tel: +44 (0)1223 765542 Mob: +44 (0)7525 337458
sarah.collins@admin.cam.ac.uk