De schaduw van een man op een zonnepaneel. Copyright 2019 The Associated Press. All rights reserved

Onderzoekers KU Leuven stabiliseren perovskieten, stap dichter bij efficiëntere zonnepanelen

Een studie onder leiding van de KU Leuven legt voor het eerst uit hoe een veelbelovende vorm van perovskieten - kunstmatige kristallen die zonlicht kunnen omzetten in elektriciteit - gestabiliseerd kunnen worden. De stabilisatie maakt de kristallen zwart, waardoor ze zonlicht kunnen absorberen. De bevinding kan leiden tot een nieuwe generatie van zonnepanelen die makkelijk te maken zijn en zeer efficiënt zijn. 

Het mineraal perovskiet is een calcium-titanium-oxide dat als formule CaTiO3 heeft. Het werd al in 1839 ontdekt in het Oeralgebergte in Rusland, maar pas in 1926 werd ontdekt dat het een bijzondere kristalstructuur heeft. 

In 1945 werd die structuur tot in detail beschreven en het gaat om een combinatie van zesvlakken en achtvlakken. Sindsdien worden andere chemische verbindingen met dezelfde kristalstructuur ook perovskieten genoemd. Van calciumsilicaat perovskiet wordt aangenomen dat het het op drie na meest voorkomende mineraal op aarde is, maar het komt enkel voor op grote diepte in de aardmantel. Op het aardoppervlak is de kristalstructuur niet stabiel. 

En dat is precies het probleem, de stabiliteit. Perovskieten zijn halfgeleiders die veel toepassingen kennen, en ook bijzonder beloftevol zijn voor het omzetten van zonne-energie in elektriciteit. De efficiëntie van zonnecellen op basis van perovskieten is van 3,8 procent in 2009 gestegen tot 24,3 procent in 2019 voor cellen met uitsluitend perovskieten, en tot 27,3 procent voor zonnecellen van perovskieten gecombineerd met de klassieke silicium-cel. Dat ligt hoger dan het wereldrecord voor een siliciumcel dat 26,7 procent bedraagt. 

De stijging van de efficiëntie bij perovskiet-zonnecellen is sensationeel en ze is veel sneller gegaan dan bij de siliciumcellen. Bovendien is het maken van silicium-zonnecellen een duur en gecompliceerd proces, dat plaatsvindt bij temperaturen hoger dan 1.000 graden Celsius in een vacuüm in speciale 'clean rooms'. De materialen die nodig zijn voor het aanmaken van perovskieten zijn daarentegen goedkoop en de bewerkingen kunnen uitgevoerd worden in een gewoon, traditioneel laboratorium.  

Weergave van de bijzondere kristalstructuur van een perovskiet met de formule ABX3. Hier zijn de groene bollen A-atomen (een groter metalen, positief geladen ion of kation, zoals Ca2+), de blauwe bollen B-atomen (een klein metalen, positief geladen ion, zoals Ti4+) en de rode bollen X-atomen (meestal zuurstof).

Stabiliteit

Maar zoals gezegd, er is een probleem met de stabiliteit. Het meest veelbelovende perovskiet, cesiumloodtriiodide (CsPbI3), is onstabiel bij kamertemperatuur. Bij kamertemperatuur heeft cesiumloodtriiodide een gele kleur, omdat de atomen in het kristal geen perovskietstructuur vormen. Om zonlicht efficiënt te kunnen absorberen en om te zetten in elektriciteit, moeten de atomen de perovskietstructuur aannemen en behouden. Hierdoor worden de kristallen zwart, wat optimaal is voor de de opname van zonlicht.

“Silicium is een zeer sterk, star kristal. Als je erop drukt, verandert de vorm niet. Perovskieten zijn zachter en meer kneedbaar”, zegt doctor Julian Steele in een persmededeling 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.” Steele werkt aan het Centrum voor Membraanscheidingen, Adsorptie, Katalyse en Spectroscopie voor Duurzame Oplossingen aan de KU Leuven en is een van de auteurs van de nieuwe studie. 

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.

In de gele toestand, bovenaan, zijn de kristallen erg zacht, te vergelijken met gelei. In de zwarte toestand hebben de atomen in het kristal zich herschikt. Hun zwarte kleur laat hen toe het zonlicht optimaal te absorberen. cMACS

Goed presterend maar erg onstabiel

Wetenschappers weten al enkele decennia dat perovskieten zwart kunnen blijven na verhitting, maar het was tot nu toe onduidelijk hoe dat precies kwam. “In onze studie hebben we gekozen voor cesiumloodtriiodide omdat deze perovskieten erg goed presteren”, legde Steele uit. “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.”

In de perovskietstructuur kunnen veel verschillende kationen - positief geladen ionen - ingebracht worden en er wordt dan ook onderzoek gedaan naar veel verschillende perovskieten. Dat gebeurt onder meer omdat er gezocht wordt naar alternatieven zonder lood. 

Veel van de data uit het onderzoek zijn verzameld bij de European Synchrotron Radiation Facility (ESRF). Een synchrotron is een deeltjesversneller waar de versnelde deeltjes bijeen gebracht worden in verschillende 'beamlines.' In de ESRF bestaan die meestal uit röntgenstraling en ze worden gebruikt om materialen en moleculen zeer gedetailleerd te bestuderen, tot op het niveau van individuele kristallen en zelfs moleculen.

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 van de perovskieten. 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.”

Zonnepanelen met perovskieten zijn met andere woorden erg efficiënt, redelijk goedkoop, en redelijk eenvoudig te maken in een traditioneel laboratorium. Met de nieuwe bevindingen van het team is er opnieuw een stap gezet naar de praktische toepassing van de techniek voor een nieuwe generatie van zonnepanelen. 

De studie van de onderzoekers van de KU Leuven, UGent en hun collega's uit Frankrijk, de VS, Canada, China en Spanje is gepubliceerd in Science. Dit artikel is grotendeels gebaseerd op een persmededeling van de KU Leuven.

6 tot 7 mm grote perovskietkristallen op een matrix uit Magnet Cove in de staat Arkansas in de VS.