Grotere kristallen zijn beter

Het mineraal perovskiet wordt gezien als een veelbelovend alternatief voor silicium in zonnecellen. Grote kristallen verhogen de opbrengst van stroom.

Perovskiet werd begin 19de eeuw ontdekt door mineraloog Lev Perovski. Het is opgebouwd uit calcium-titanium-oxide (CaTiO3). De in zonnecellen toegepaste perovskieten bestaan uit andere atomen, maar met dezelfde perovskiet-kristalstructuur. Foto Rob Lavinsky / iRocks.com

Weer is hij een beetje verder verbeterd, de zonnecel op basis van perovskiet. Het tijdschrift Science publiceerde gisteren drie artikelen met min of meer dezelfde strekking: zonnecellen met grotere perovskietkristallen geven een hoger en vooral ook stabieler rendement.

Het blijft snel gaan. In 2009 werd perovskiet voor het eerst toegepast in een zonnecel, en vier jaar later al zat de efficiëntie (de mate waarin zonlicht wordt omgezet in elektriciteit) op 15 procent. De ontwikkeling gaat tot nog toe veel sneller dan eerder met andere materialen, zoals silicium. Het was reden voor Science om perovskiet eind 2013 tot een van de doorbraken van het jaar te betitelen. Perovskiet kan trouwens verschillende samenstellingen hebben. Vaak is het opgebouwd uit ammonium en lood, gecombineerd met jood of broom.

Vorig jaar is de officieel geregistreerde efficiëntie verder gestegen naar 20 procent. Dat komt al aardig in de buurt van silicium – in het laboratorium is daarmee een efficiëntie van 25 procent bereikt, in de praktijk ligt het om en nabij de 15 procent. Maar een van de centrale problemen van perovskietzonnecellen is hun sterk wisselende kwaliteit en prestatie. De ene cel is de andere niet. Hoe dat komt, daarover gaan de gisteren gepubliceerde artikelen.

Aangeslagen elektronen

Als licht op zo’n zonnecel valt, worden fotonen in dat licht geabsorbeerd door, in dit geval het perovskiet. De fotonen dragen hun energie over op elektronen, die daardoor meer bewegingsvrijheid krijgen, en gaan stromen. De drie artikelen in Science laten zien dat zulke aangeslagen elektronen makkelijker bewegen in het perovskietkristal dan aan de randen ervan, of op de overgang naar een ander laagje van de zonnecel, goud bijvoorbeeld. Want op die plekken zitten vaak oneffenheden, of zogeheten elektronenvallen, die de elektronen afremmen. Of zelfs invangen.

Zo is er vorig jaar onderzoek gepubliceerd dat clusters van loodionen (Pb2+) vindt aan de kristalranden, en die clusters vangen negatief geladen elektronen weg. Het is dus zaak om zo weinig mogelijk randen te hebben. Met andere woorden: de kristallen moeten groter.

Natuurkundige Sjoerd Hoogland van de Universiteit van Toronto, mede-auteur van een van de Science-artikelen, heeft een analogie van het mechanisme. „Het is alsof je door een weiland rent en opeens bij een brede sloot komt. Je remt af, en denkt na hoe je erover heen komt. Springen, of er doorheen lopen. In allebei de gevallen loop je het risico dat je vast komt te zitten”, zegt hij via de telefoon.

Een van de drie artikelen beschrijft hoe kristallen van gemiddeld ruim 3 millimeter doorsnede werden gemaakt, wat groot is. Want in de standaard geproduceerde perovskietfilm waren de kristallen tot nog toe maar een paar micrometer – een micrometer is een duizendste millimeter. In de grote kristallen troffen ze een factor drie tot vijf minder elektronenvallen aan vergeleken met de film. Dit onderzoek was geleid door Jinsong Huang, van de Universiteit van Nebraska. Zijn groep toonde pasgeleden (Nature Communications, 15 december 2014) aan dat het aantal elektronenvallen aan de randen van perovskietkristallen met een factor twee afnam als ze die bedekten met een laagje fullereen (een geheel uit koolstof opgebouwd molecuul, zoals de bekende buckybal – C60).

Minder elektronenvallen leiden tot een betere efficiëntie. Dat toont een van de andere artikelen aan. Daarin beschrijven de onderzoekers, waarvan de meeste uit Los Alamos komen, dat ze een efficiëntie van 18 procent bereiken, met kristallen van enkele millimeters groot. Bovendien is bij hun de variatie tussen zonnecellen beperkt, zo’n 2 procent.

Klonters

Een van de grote vragen die ook nu nog open blijft is die van de stabiliteit. Hoe lang blijft het perovskiet – of het nu kleine of grote kristallen zijn – zijn werk goed doen in een zonnecel? Want het zout in de verbinding trekt water uit de lucht aan, en vormt klonters. Siliciumzonnecellen gaan makkelijk 20 jaar mee. Dat moet perovskiet eerst nog maar eens bewijzen.

Intussen breidt het enthousiasme over perovskiet zich snel uit naar andere toepassingen. De groep van Jinsong Huang beschrijft in het Science-artikel dat radioactiviteit en röntgenstraling een elektrische stroom kan opwekken in perovskietkristallen. Dat zou bijvoorbeeld kunnen leiden tot sensoren voor stralingsdetectie.

En vorig jaar maakte de groep van Henry Snaith in het Britse Oxford een ledje op basis van perovskiet. Dat werkt volgens het omgekeerde principe van een zonnecel. Het perovskiet zendt in dit geval licht uit als er een elektrische stroom doorheen gaat. De onderzoekers wisten ledjes te maken die groen, rood of infrarood licht uitzonden, afhankelijk van de precieze samenstelling van het perovskiet.

    • Marcel aan de Brugh