93,5% efficiëntie: nieuwe rooster-gespannen perovskiet zonnecellen bereiken recordstabiliteit
Door gebruik te maken van roosterspanning om rubidium vast te zetten, konden onderzoekers het energieverlies beperken en perovskiet-zonnecellen tot 93,5% van hun theoretische efficiëntielimiet brengen.
Zwitserse wetenschappers hebben een nieuwe methode ontdekt om de prestaties van perovskiet-zonnecellen te verbeteren door rubidium (Rb) in het materiaal vast te zetten. Hierdoor wordt het energieverlies aanzienlijk verlaagd en de efficiëntie verhoogd.
Onder leiding van Lukas Pfeifer, PhD, en Likai Zheng, PhD, van het Zwitserse Federale Technologie-instituut van Lausanne (EPFL), slaagde het team erin om rubidiumionen in het kristalstructuur van perovskiet te houden – een groep materialen die bekendstaat om hun hoge efficiëntie en lage productiekosten in zonneceltoepassingen – door roosterspanning toe te passen.
Door gebruik te maken van de gecontroleerde vervorming in de atomaire structuur stabiliseerde de baanbrekende aanpak niet alleen het materiaal met een brede bandgap (WBG), maar verbeterde ook de efficiëntie door niet-stralinggerelateerde recombinatie, een belangrijke oorzaak van energieverlies, te verminderen.
Een nadere blik op de studie
Omdat de aarde dagelijks zo’n 200.000 keer meer zonne-energie ontvangt dan het totale wereldwijde elektriciteitsverbruik, is dit een belangrijke oplossing om de afhankelijkheid van fossiele brandstoffen te verminderen. Hoewel het verbeteren van de efficiëntie van zonnepanelen een uitdaging blijft, hebben perovskietzonnecellen ( PSC ‘s ) de sector getransformeerd met snelle verbeteringen in efficiëntie en een betaalbaar productiepotentieel.
De ontwikkeling van PSC’s wordt echter nog steeds belemmerd door energieverlies en stabiliteitsproblemen, voornamelijk vanwege de uitdagingen bij het optimaliseren ervan met materialen met een brede bandafstand (WBG), belangrijke halfgeleiders die licht met hoge energie absorberen en de algehele efficiëntie verhogen.
Materialen met een brede bandgap staan erom bekend dat ze licht met hoge energie absorberen, terwijl ze licht met lagere energie doorlaten. Ze leveren daardoor veel voordelen op het gebied van energieopname, maar zijn wel gevoelig voor fasesegregatie, een fenomeen dat optreedt wanneer verschillende componenten van het materiaal in de loop van de tijd van elkaar scheiden, waardoor de prestaties afnemen.
Foto: Dennis Schroeder/National Renewable Energy Laboratory
Het toevoegen van rubidium om de halfgeleiders te stabiliseren is voorgesteld als mogelijke oplossing voor dit probleem. Helaas vormt dit element vaak ongewenste secundaire fasen, waardoor de versterking van de pervoskietstructuur wordt beperkt.
De wetenschappers hebben de samenstelling van het materiaal echter verfijnd met behulp van een proces waarbij snelle verhitting en gecontroleerde afkoeling plaatsvonden. Dit zorgde voor roosterspanning, waardoor rubidium geen ongewenste secundaire fasen kon vormen en geïntegreerd bleef in de kristalstructuur.
Verdere evaluaties
Om hun aanpak te valideren, gebruikten de onderzoekers röntgenscans om structurele veranderingen te monitoren, vaste-stof kernmagnetische resonantie (NMR) om de integratie van rubidium te volgen, en computersimulaties om atomair gedrag onder wisselende omstandigheden te onderzoeken. Samen bewezen deze technieken dat roosterspanning rubidium in het materiaal stabiliseert.
Ze ontdekten ook dat het toevoegen van chloride-ionen cruciaal is voor het stabiliseren van het rooster door de grootteverschillen tussen de elementen in evenwicht te brengen. Dit leidt tot een gelijkmatigere ionenverdeling, waardoor defecten worden verminderd en de algehele stabiliteit van het materiaal wordt verbeterd.
Volgens de resultaten bereikte het nieuwe rooster-gespannen perovskietmateriaal een open circuitspanning van 1,30 volt, een indrukwekkende 93,5 procent van het theoretische maximum en een van de laagste energieverliezen ooit gemeten in perovskieten met brede bandgap.
Bovendien nam de fotoluminescentie-kwantumopbrengst (PLQY) aanzienlijk toe. Hieruit blijkt dat de verbeterde structuur zonlicht efficiënter omzet in elektriciteit, met zeer weinig energieverspilling.
De onderzoekers geloven dat het verminderen van energieverlies in perovskiet-zonnecellen de weg zou kunnen vrijmaken voor efficiëntere en kosteneffectievere zonnepanelen. Dit is met name veelbelovend voor tandemzonnecellen, die perovskieten combineren met silicium om de energieopbrengst te maximaliseren.
