Net als tandpasta: zonnecellen van perovskiet veel sterker door fluoride

13 mei 2019

Onderzoekers van de TU in Eindhoven hebben ontdekt dat een beschermend laagje van fluoride zonnecellen van perovskiet een stuk stabieler maakt.

De atomaire structuur van fluoride (NaF) met daarin metaalhalideperovskiet (FAPbI3). Door de hoge elektronegativiteit stabiliseert het fluoride het rooster van perovskiet middels sterke waterstof- en ionen-bindingen aan het oppervlak van het materiaal.
De atomaire structuur van fluoride (NaF) met daarin metaalhalideperovskiet (FAPbI3). Door de hoge elektronegativiteit stabiliseert het fluoride het rooster van perovskiet middels sterke waterstof- en ionen-bindingen aan het oppervlak van het materiaal.

Perovskiet is een aantrekkelijk materiaal voor zonnecellen. Het is goedkoop, gemakkelijk te maken en bijna net zo rendabel als silicium, de gangbare grondstof in zonnecellen. Maar er zijn ook nadelen: perovskiet degradeert snel, wat nadelig is voor het rendement en de stabiliteit van de zonnecellen. Onderzoekers van de Technische Universiteit in Eindhoven, onderzoeksinstituut DIFFER, de Universiteit Twente en Peking University hebben ontdekt dat door een beschermend laagje van fluoride op het perovskiet aan te brengen de zonnecellen aanzienlijk stabieler worden. Na duizend uur onder extreme testomstandigheden behouden de zonnecellen 90 procent van hun rendement. De uitkomsten verschijnen vandaag in het wetenschappelijke tijdschrift Nature Energy.

Omdat zonnecellen van perovskiet zo goedkoop te maken zijn, wordt er de laatste jaren veel onderzoek naar gedaan. Hun rendement is dan ook flink gestegen, van minder dan 4 procent in 2009 tot ruim 24 procent op dit moment. Dat is bijna net zoveel als traditionele siliciumcellen. Met tandemcellen, een combinatie van silicium en perovskiet, is zelfs een rendement van meer dan 28 procent behaald.

Ondanks dit succes hebben perovskietcellen een aantal nadelen als gevolg van de aard van het materiaal en de manier waarop ze gemaakt worden. Op den duur zorgen leemtes in de atomaire structuur van de metaalhalide (de zogenaamde ‘vacatures’) ervoor dat het materiaal onder de invloed van vocht, licht en hitte degradeert.

Beschermend laagje

De onderzoekers in Eindhoven, Twente en Beijing hebben geëxperimenteerd met een nieuw soort perovskiet, door een kleine hoeveelheid fluoride toe te voegen aan het productieproces. Net zoals bij fluoride in tandpasta, vormen de fluoride-ionen een beschermend laagje rond het kristal, waardoor zich geen schadelijke fouten kunnen verspreiden in het materiaal.

 

Onderzoeksleider Shuxia Tao
Onderzoeksleider Shuxia Tao

“Ons werk heeft de stabiliteit van de perovskietcellen aanzienlijk verbeterd”, zegt Shuxia Tao, onderzoeksleider bij het Center for Computational Energy Research, een samenwerkingsverband van de faculteit Technische Natuurkunde van de TU/e en DIFFER. “Onze zonnecellen behouden 90 procent van hun rendement na 1000 uur onder extreme licht- en hittecondities. Dat is vele keren langer dan traditionele perovskietverbindingen. We hebben bovendien een rendement behaald van 21,3 procent. Dat is een prima startpunt voor verdere verbeteringen.”

Veel werk van het team in Eindhoven is gaan zitten in het verklaren waarom fluoride zo goed werkt vergeleken met andere halogenen. Ze concluderen, op basis van computersimulaties, dat een deel van het succes is terug te voeren op de geringe afmetingen en hoge elektronegativiteit van fluoride-ionen. Hoe hoger de elektronegativiteit van een element, des te gemakkelijker trekt het elektronen aan van naburige elementen. De fluoride-ionen kunnen hierdoor een sterke binding aangaan met andere elementen in de perovskietverbinding, en vormen zo een stabiele beschermende laag.

Verder onderzoek

De studie wordt gezien als een belangrijke stap op weg naar het succesvolle toepassing van perovskietzonnecellen in de toekomst. Maar er is nog veel werk te doen. De gouden standaard in de zonne-energie-industrie gaat uit van een rendementbehoud van ten minste 85 percent na 10 à 15 jaar, en daar voldoen de perovskietcellen nog niet aan.

“We verwachten dat het nog 10 tot 15 jaar zal duren, voordat deze zonnecellen ook commercieel interessant worden. Niet alleen moeten we het rendement en de stabiliteit nog verder verbeteren, we willen ook een beter theoretisch begrip verkrijgen van de manier waarop deze mechanismen werken op atomaire schaal. We weten nog steeds niet precies waarom sommige materialen beter werken dan andere in het vergroten van de stabiliteit op lange termijn”, aldus Tao.
 

Nengxu Li, Shuxia Tao, Chidozie Onwudinanti, Geert Brocks, Huanping Zhou et al. Cation and anion immobilization through chemical bonding enhancement with fluorides with stable halide perovskite solar cells.  Nature Energy. DOI: 10.1038/s41560-019-0382-6

 

 

Mediacontact

Henk van Appeven
(Science Information Officer)