Rommelig materiaal maakt zonnecel efficiënter

Materiaalkunde Silicium in traditionele zonnecellen moet zo geordend mogelijk zijn. Maar als je ze van perovskieten maakt, is een rommeltje juist beter.

In een zonnepaneel van silicium wordt ongeveer 25 procent van het opgevangen zonlicht omgezet in elektriciteit.
In een zonnepaneel van silicium wordt ongeveer 25 procent van het opgevangen zonlicht omgezet in elektriciteit. Foto ANP/Lex Van Lieshout

Hoe netter siliciumatomen in een zonnecel op hun plek in het kristalrooster zitten, hoe beter de cel de fotonenergie omzet in elektriciteit. Maar een mogelijk alternatief voor silicium, zogenoemde perovskieten, doet dit volgens onderzoekers van de Universiteit van Cambridge heel efficiënt omdat de atomen juist rommelig op hun plek zitten. Samen met collega’s van Chinese, Belgische en Indiase universiteiten publiceerden zij maandag hun onderzoek in Nature.

De meeste zonnecellen worden nog op basis van silicium gemaakt. De efficiëntie, de mate waarin het opgevangen zonlicht wordt omgezet in elektriciteit, ligt voor de meeste commerciële zonnecellen al twintig jaar rond de 25 procent.

Een mogelijke concurrent van silicium zijn perovskieten, een klasse materialen met een combinatie van zes- en achtvlakken als kristalstructuur. Perovskieten kunnen bestaan uit verschillende soorten mineralen. Ze werden al begin 19e eeuw ontdekt door de mineraloog Lev Perovski.

Pas in 2009 werd de eerste zonnecel van perovskiet gemaakt. Sindsdien hebben de resultaten van het materiaal als basis voor zonnecellen een vlucht genomen. In tien jaar tijd is de efficiëntie van perovskiet zonnecellen toegenomen van 5 tot zo'n 25 procent. Maar waarom deze materialen zo goed werken, is tot nu toe een raadsel gebleven.

Wanneer een zonnecel fotonen absorbeert, raken de geladen deeltjes los van de siliciumatomen en bewegen ze door het materiaal. Een geschikt materiaal moet dus zowel fotonen goed absorberen, als de lading, die later in elektrische energie wordt omgezet, goed zien te bewaren.

Voor silicium betekent dit dat de atomen zo symmetrisch mogelijk geordend in het kristalrooster moeten liggen. Is dat niet zo, dan komen geladen deeltjes vast te zitten in een ‘energiedal’, en gaat de energie verloren als warmte. Om die reden spenderen fabrikanten veel geld en tijd aan het purificeren van silicium.

Bij perovskietzonnecellen is die strakke rangorde veel minder van belang. Integendeel, aldus de onderzoekers. Zij gebruikten een compositie van perovskiet waarin chemische verbindingen van broom en jodium voorkomen. Ze losten het materiaal op in een vloeistof, en lieten er een druppel van opdrogen zodat het als een rommelige structuur achterbleef.

Tegenintuïtief bleek de wanordelijke kristalstructuur de lading heel goed op te slaan en efficiënt om te zetten in elektriciteit. „We zagen dat de geladen deeltjes juist in zo’n energiedal bleven zitten, om later weer gebruikt te worden”, legt Sascha Feldmann uit, een van de onderzoekers. „Die dalen zijn wel een ander soort vallen dan waarin de geladen deeltjes verdwijnen in het geval van een siliciumcel.”

Waarom dit materiaal juist ‘goede’ vallen veroorzaakt is nog niet duidelijk. „Onze structuur is veel complexer dan puur silicium, het kan zijn dat het daardoor de lading zo goed opslaat.”

Maria Loi, hoogleraar fotofysica en opto-elektronica aan de Rijksuniversiteit Groningen, vindt het „interessant” onderzoek. „Of de efficiëntie van perovskiet daadwerkelijk komt door de rommelige structuur, of door de samenstelling van het materiaal, moet blijken uit verder onderzoek.”