PROCEED: perovskieten voor verbeterde zonnecellen en een revolutie in lasergebaseerde toepassingen en röntgenbeelden
Perovskieten zijn vooral bekend in de wereld van de zonnecellen. Onderzoekers van IMO-IMOMEC onderzoeken binnen EnergyVille, en in samenwerking met collega’s van KU Leuven, UGent en UAntwerpen, of perovskieten ook voor andere toepassingen gebruikt kunnen worden. Het is de combinatie van goede opto-elektronische eigenschappen met lage materiaal- en fabricagekosten die perovskieten een veelbelovend materiaal maken voor elke toepassing waarbij lichtabsorptie, -emissie en -detectie een rol spelen.
Samen met verschillende toonaangevende bedrijven (bijvoorbeeld Agfa NV en ENGIE Laborelec), zal het team onderzoeken wat perovskieten kunnen doen voor röntgenstralen en lasers, maar ook voor zonnecellen. Voor röntgendetectoren kan het gebruik van perovskieten leiden tot een verbeterde beeldkwaliteit, wat zich kan vertalen in aanzienlijk lagere blootstellingsniveaus voor medische of beveiligingsonderzoeken van mensen. Voor lasers is de nieuwe materiaalontwikkeling bedoeld om de materiaalwinstcoëfficiënt te verhogen tot 1000 cm-1 of meer, wat resulteert in meer kosteneffectieve projectoren met een betere resolutie. Voor zonnecellen zullen perovskietmaterialen met verbeterde vocht- en thermische stabiliteit worden ontwikkeld.
De heilige graal van perovskiet
Perovskiet is een familie van materialen die al enige tijd bekend staat om zijn intrigerende fysische eigenschappen. Het werd bijvoorbeeld onderzocht als piëzo-elektrisch materiaal, als supergeleider of om chemische processen te katalyseren.
Laurence Lutsen (EnergyVille / UHasselt): “Een belangrijk kenmerk van hybride perovskieten is de verbazingwekkende veelzijdigheid, zowel qua samenstelling, dimensie als morfologie. Allereerst kan de samenstelling van metaalhalogenide perovskieten variëren: als je de generieke chemische formule ‘APbX3’ neemt, kan X chloor, broom of jodium zijn, terwijl A staat voor verschillende mogelijke kationen zoals methylammonium, formamidimium of cesium. Ten tweede kunnen materiaalwetenschappers dankzij deze compositorische vrijheid hybride perovskieten met verschillende dimensionaliteit creëren, gaande van gewone 3D [1] -materialen tot materialen met een intrinsieke (quasi) 2D- of zelfs 0D-structuur. En ten derde kunnen perovskieten worden gesynthetiseerd met veel verschillende morfologieën, zoals dunne films, enkele kristallen, microkristallen of nanokristallen.”
Perovskiet voor zonnecellen: op naar 2D perovskieten voor meer stabiliteit
Technologieën op basis van kristallijn silicium domineren momenteel de PV-markt. De typische commerciële module-efficiëntie ligt ongeveer op 17-18%, met een record commerciële productefficiëntie van 22,8% en een theoretische limiet van 29%. Een manier om een hogere conversie-efficiëntie te bereiken, is door verschillende halfgeleidermaterialen te stapelen, elk met hun specifieke bandgap. Elke laag is geschikt voor een specifiek deel van het lichtspectrum en op deze manier kan een hogere efficiëntie worden bereikt.
Tandem-zonnecellen die silicium- en perovskiet-zonnecellen combineren, zouden het antwoord kunnen zijn voor zonnecellen die zowel een hoog rendement als lage kosten vertonen. De lage kosten van een zonnecel op basis van perovskiet zijn te danken aan het feit dat het materiaal zelf niet duur is, alleen dunnefilms worden gebruikt en de procestechnologie via printen / coaten is relatief eenvoudig. Bovendien is er in het proces geen dure apparatuur vereist.
Vanwege hun semi-transparantie, hun lichte gewicht en de mogelijkheid om ze op flexibele substraten te produceren, zijn ze ideale kandidaten voor BIPV (Building Integrated Photovoltaics). Het gemak van verwerking maakt maatwerk mogelijk in zowel afmetingen als ontwerp (kleur, transparantie), een belangrijke troef om architecten ervan te overtuigen meer zonnetechnologie in hun gebouwen te gebruiken. En omdat het rendement bij hogere temperaturen minder afneemt (in vergelijking met kristallijne silicium zonnecellen) zouden ze kunnen worden geïntegreerd in isolerende beglazing. Daarnaast konden perovskiet-zonnecellen worden geïntegreerd in daken, architectonisch glas, muren, tegels, gevels en dakpannen. In deze gevallen is de oriëntatie van de zonnecellen minder een probleem vanwege de betere respons op diffuse lichtomstandigheden dan siliciumzonnecellen.
Perovskiet als materiaal voor andere toepassingen
Omdat perovskieten zo veelzijdig zijn, kunnen ze ook voor andere toepassingen worden gebruikt. Tot nu toe stonden vooral zonnecellen op de agenda van perovskietmateriaalontwikkelaars en onderzoekers. En hoewel er nog enkele grote problemen zijn met zonnecellen op basis van perovskiet, is het de moeite waard om de chemische structuren van perovskiet te onderzoeken en af te stemmen voor andere toepassingen. Laurence Lutsen: “In PROCEED ontwikkelt het consortium nieuwe 3D / 2D-perovskietstructuren om het stabiliteitsprobleem in zonnecellen aan te pakken, maar richt het zich ook op het fabriceren van dikke perovskietfilms met grote afmetingen voor röntgentoepassingen en perovskiet-nanokristallen als versterkingsmateriaal voor lasers voor lichte projectoren. In al deze gevallen belooft het gebruik van perovskieten lagere kosten en betere prestaties.”
Perovskieten voor X-ray
In de afgelopen jaren zijn perovskietmaterialen op basis van hoge Z-elementen getest voor röntgendetectie om detectoren van hoge beeldkwaliteit te maken voor algemene radiografische toepassingen, waardoor patiënten een lagere stralingsdosis kunnen krijgen. Aangezien perovskietlagen kunnen worden aangebracht met goedkope methoden bij lage temperaturen, zelfs op flexibele substraten, zou deze nieuwe benadering een goedkope, lichtgewicht, robuuste, grootschalige en potentieel flexibele röntgendetector mogelijk maken. Dit zou een breder gebruik van röntgenscanners mogelijk maken voor gezondheidstoepassingen (mens en dier), voor industrieel gebruik en voor beveiliging. Industriële detectoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor kwaliteitscontrole in industriële branches zoals automotive, ruimtevaart, defensie en energieopwekking. Ook op het gebied van beveiliging is röntgenstraling een groeiende markt vanwege het geglobaliseerde verkeer en handel en de groeiende behoefte om mensen en ladingen bij de grenscontroleposten te scannen.
Perovskieten voor lichtprojectie: nanokristallen voor betere lasers
Lichtbronnen voor projectoren moeten zoveel mogelijk zichtbare kleuren reproduceren, met een hoge helderheid en een minimaal stroomverbruik. Lasers zijn hiervoor ideale kandidaten en hebben een veel betere prestatie en levensduur in vergelijking met de traditionele hogedruklampen. Huidige laserprojectiesystemen gebruiken een gerichte blauwe laser om een luminescent materiaal zoals YAG: Ce om te zetten in de rode, groene en blauwe primaire kleuren uit een puntbron. Deze benadering heeft echter een beperkte optische efficiëntie. Laurence Lutsen: “Het zou mogelijk zijn om een commerciële blauwe laser – de best presterende van de rood / groen / blauwe set – te combineren met goedkope, optisch rood en groen versterkte spontane emissiebronnen of lasers. Perovskiet-nanokristallen zouden kunnen worden gebruikt als groen of rood versterkingsmateriaal en deze benadering zou de complexiteit en kosten van high-end laserprojectoren verminderen (een kostenreductie van 30-40% voor de projectorlichtbron wordt verwacht). De afstembare bandgap en de hoge optische versterking van perovskieten zijn belangrijk in deze context.”
