Beloftevolle stap in perovskietzonnecellen: organische bouwstenen zorgen voor veel grotere stabiliteit
Onderzoekers van imo-imomec (imec/UHasselt) zijn er binnen de samenwerking EnergyVille in geslaagd om organische bouwstenen in perovskietzonnecellen te integreren, waardoor zowel de thermische- als de vochtstabiliteit van het materiaal aanzienlijk verbetert. Perovskiet is een heel beloftevol materiaal voor dunne, goedkope en zeer efficiënte zonnecellen, maar het is ook heel onstabiel. “Met dit onderzoek zetten we een beloftevolle stap om perovskiet breed te kunnen gebruiken in vele toepassingen”, zegt prof. dr. Dirk Vanderzande, hoofd van de onderzoeksgroep Hybrid Materials Design.
In 2009 werd het materiaal perovskiet voor het eerst gebruikt als zonnecel. Toen behaalde het een energieopbrengst van amper 3,9 procent. Enkele jaren later was dat al bijna 26 procent. Daarmee behaalde het materiaal dezelfde efficiëntie als de siliciumzonnecellen die nu standaard op onze daken liggen. En dat terwijl perovskietzonnecellen honderden keren dunner zijn dan siliciumzonnecellen en daardoor dus veel goedkoper en duurzamer. “Perovskieten zijn een heel beloftevol materiaal om in de toekomst silicium te vervangen als zonnecel. Alleen is er één groot probleem: perovskietzonnecellen zijn ontzettend onstabiel. Begin je aan een efficiëntie van 26 procent, dan daalt die efficiëntie niet veel later naar nul. Vergelijkbaar met een vliegtuig dat opstijgt en stilaan neerstort als het zijn hoogte heeft bereikt”, zegt prof. dr. Dirk Vanderzande.
Tot al 5 maanden stabiel
Perovskieten zijn zouten, bij contact met vocht nemen ze dus water op en vallen ze gemiddeld na 1 tot 3 dagen uit elkaar als de perovskiet niet ingekapseld is in een beschermlaag. Al vele jaren werkt de onderzoeksgroep Hybrid Materials Design van imo-imomec, het geïntegreerd onderzoeksinstituut van de Universiteit Hasselt en imec, binnen de samenwerking EnergyVille aan manieren om perovskieten stabieler te maken zodat ze effectief breed kunnen ingezet worden als zonnecel of in andere toepassingen zoals LED’s, fotodetectoren of transistoren.
Ze ontwikkelen hiervoor organische bouwstenen die ze inbouwen in de structuur. “Hierdoor creëren we een zogenaamde 2D-perovskiet die zowel vocht als een temperatuur van wel 230 graden kan weerstaan. Door onze organische bouwstenen toe te voegen aan de perovskiet maken we het materiaal langs binnenuit stabieler. De beste resultaten in ons lab tonen aan dat ons materiaal zelfs onder 77 procent luchtvochtigheid al 5 maanden stabiel is (zonder extra bescherming), en dat blijft oplopen”, zegt doctoraatsonderzoeker Paul-Henry Denis.
Toekomst
Vooraleer perovskieten breed kunnen worden gebruikt in allerlei toepassingen is er nog heel wat onderzoek nodig. “Onze strategie van het toevoegen van organische bouwblokken is enorm veelzijdig”, zegt postdoctoraal onderzoeker Wouter Van Gompel “De eigenschappen van de organische bouwblokken die we gebruiken kunnen nog verder geoptimaliseerd worden door hun moleculaire structuur aan te passen op basis van wat we tot nu toe geleerd hebben. We verwachten dat er op die manier nog winst te boeken valt op vlak van stabiliteit en efficiëntie”.
“En er is daarnaast nog heel wat mogelijk”, zegt doctoraatsonderzoeker Martijn Mertens. “Onze organische bouwstenen verbeteren de interne stabiliteit van het perovskietmateriaal. Nu kan je denken aan externe manieren om de stabiliteit van perovskiet zonnecellen bijkomend te verbeteren. Bijvoorbeeld door te werken met coatings en beschermlagen aan de buitenkant van het materiaal waardoor je nog meer en heel specifieke externe stressfactoren kan wegwerken. De toekomst is aan perovskiet, daar zijn wij als onderzoeksgroep van overtuigd.”
Dit onderzoek kon rekenen op financiële steun van FWO en BOF.