Een nieuwe generatie perovskiet-siliciumtandemzonnecellen breekt door de 30%-efficiëntiebarrière, meldt Science. Twee onderzoeksgroepen gebruikten, onafhankelijk van elkaar, verschillende moleculaire methoden om dit voor elkaar te krijgen. Grootste uitdaging nu is de beperkte stabiliteit van deze cellen. ‘De levensduur verlengen is nu belangrijker dan een nog hogere efficiëntie.’
Hoe groter de efficiëntie waarmee je het zonnespectrum omzet in energie, hoe hoger het rendement van een zonnecel. Verbeteren van die efficiëntie kan via een tandemzonnecel die uit twee lagen bestaat. De bovenste laag absorbeert dan bijvoorbeeld fotonen met hoge energie en de onderste laag absorbeert fotonen met lage energie. Twee tegelijkertijd verschenen publicaties in Science beschrijven twee verschillende methodes om een perovskiet-siliciumtandemzonnecel te maken met een efficiëntie van meer dan 30%. Ter vergelijking: de theoretische maximumefficiëntie van een siliciumzonnecel ligt rond de 29%. Beide groepen gebruikten moleculaire methodes om de verliezen tussen perovskiet en de bovenste geleidingslaag van de cel tegen te gaan.
Het team van Xin Yu Chin (Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne) rapporteerde in juli 2022 al een gecertificeerde omzettingsefficiëntie van 31,25% met hun monolithische perovskiet-siliciumtandemzonnecel. Ze beschrijven nu hoe ze dat voor elkaar kregen: chemische dampdepositie van één van de twee perovskiet precursor materialen in een gecontroleerd vacuüm, gevolgd door de depositie van de tweede perovskiet precursor vanuit een oplossing. Hierna volgt de omzetting tot de perovskietfase.
Verliezen op het grensvlak
Co-auteur Julian Steele van de KU Leuven legt uit dat het lastig is om een extra laag aan te brengen op een siliciumzonnecel, omdat die niet vlak is. ‘De siliciumlaag heeft een micropatroon van piramides, zo groot als een tiende van een menselijke haar, om reflectie tegen te gaan. Je wilt daar een conforme laag op aanbrengen en het patroon zo behouden. Maar als je alleen een oplossingsstap gebruikt, vul je het micropatroon op en krijg je weer een vlakke laag.’ Daarom gebruikten ze voor het eerste deel van de reactie chemische dampdepositie. ‘Hierbij maken we een gelijkmatige sjabloonlaag op het silicium. In de oplossingsstap hecht het materiaal alleen met die sjabloonlaag, zodat het patroon behouden blijft.’
Helaas maakte dat patroon aanhechting van de geleidingslaag (fullereen, C60) lastiger, waardoor de cel weer minder presteerde. De onderzoekers losten dit probleem op door een additief op basis van fosfonzuur toe te voegen, dat tijdens de kristallisatie van de perovskietlaag naar het oppervlak vloeit. Steele heeft een achtergrond in kristallografie en hij gebruikte röntgenspectroscopie om de groei van het perovskietkristal in situ te volgen. Hij zag hoe de eerste en tweede laag samensmolten tot één laag. ‘Het additief zorgde voor vertraging van de kristalgroei. De kristalkwaliteit is beter als het kristal langzaam groeit, want dan ontstaan er grotere domeinen met minder defecten. Daarnaast schakelde het defecten op het grensvlak uit, waardoor verlies op het perovskiet-C60-grensvlak afnam.’
Silvia Mariotti (Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie) en collega’s vonden een andere moleculaire methode om de verliezen op het perovskiet-C60-grensvlak tegen te gaan. Zij gebruikten piperaziniumjodide, een ionische vloeistof, voor een tandemcel met een vlakke siliciumonderlaag en een perovskietlaag die ze middels een oplossing produceerden. Deze stof bevat elektronenacceptorgroepen én -donorgroepen die een interactie aangaan met de oppervlaktedefecten van het perovskiet. Ze haalden hiermee een efficiëntie van 32,5%, zo kondigden ze in 2022 aan.
Achilleshiel
De grote Achilleshiel van hun zonnecellen is levensduur, zegt Steele. ‘Voor applicaties in de echte wereld wil je zo dicht mogelijk bij de industriële standaard blijven. Wij begonnen met de industriële standaard voor siliciumzonnecellen en brengen daar een extra laag op aan.’ Maar als je een zonnecel naar de markt wil brengen moet hij naast efficiëntie en kostprijs ook goed scoren op levensduur. ‘Op die eerste twee scoren we goed, we gaan van 25 procent naar 31 procent met relatief goedkope materialen. Zeker voor kleine oppervlakken zoals daken of zelfs voertuigen is dat een significante toename. Maar levensduur is bij perovskieten altijd een probleem. Zonnecellen moeten een garantie van 25 jaar hebben.’
‘Eigenlijk is dat nu belangrijker werk, maar het lijkt minder sexy dan hoge efficiëntie.’
Silicium is bestand tegen zuurstof, omdat er aan de lucht een dunne oxidelaag ontstaat die beschermt tegen verdere oxidatie, maar perovskieten zijn chemisch kwetsbaarder. ‘De cellen van Chin blijven minimaal een jaar goed in een stikstofkast, maar buiten in het wild gaan ze het nu niet halen.’ Steele zegt dat universiteiten elkaar om de oren slaan met efficiëntierecords, maar dat er relatief weinig onderzoekers aan duurzaamheid werken. ‘Eigenlijk is dat nu belangrijker werk, maar het lijkt minder sexy dan hoge efficiëntie.’
Naar de markt
We weten niet zeker of deze zonnecellen de markt gaan halen, maar omdat ze een veel hoger rendement halen is het wel waarschijnlijk, zegt Sjoerd Veenstra, programmacoördinator perovskietzonnecellen bij TNO. ‘De efficiëntie van siliciumcellen verder oprekken is heel moeilijk. Tandemtechnologie is de volgende stap.’ Naast stabiliteitseisen moeten de cellen ook nog opgeschaald worden in grootte. ‘Ze maken nu cellen van een paar vierkante centimeter, maar je moet naar waferschaal gaan: honderden vierkante centimeters, dus een paar ordegroottes hoger.’
Veenstra verwacht dat dit soort cellen eerst kleinere markten zullen veroveren, maar of het een standaardtechnologie wordt valt nog te bezien. ‘Silicium heeft zestig jaar de tijd gehad, dus het is ver geperfectioneerd.’ Maar hij vindt de bevindingen van Chi en Mariotti erg boeiend. ‘Ze kunnen de efficiëntie significant verhogen en kosten drukken en daarmee dezelfde energie opwekken met een kleiner oppervlak. Dat zou geschikt kunnen zijn voor integratie in de gebouwde omgeving.’
Zijn collega Valerio Zardetto zegt dat het normaal is dat dit soort innovaties zich niet met levensduur bezighouden. ‘Universiteiten stuwen de efficiëntierace. Levensduurexperimenten kosten veel tijd en zijn duurder, dat is niet aantrekkelijk voor dat soort instellingen.’ Je moet een zonnecel duizend keer kunnen reproduceren om statistisch relevante data te krijgen en de stressfactoren die je test moeten relevant zijn voor de echte omgeving. ‘Het is complexer en duurt langer. Ik denk dat hier een taak ligt voor instituten die toegepast onderzoek doen.’
Veenstra en Zardetto vinden het mooi om te zien hoe beide onderzoeksgroepen een andere manier vonden om de grootste verliespost – recombinatie aan het perovskiet-elektronenoverdrachtsgrensvlak – te beperken. ‘Het is als koken. Je kunt verschillende materialen testen om op het resultaat uit te komen dat je zoekt’, aldus Zardetto. Veenstra vult aan: ‘De ene groep kiest voor een siliciumsubstraat met textuur om zoveel mogelijk licht in te vangen. Om op zo’n substraat een goede perovskietcel te bouwen moeten ze het depositieproces aanpassen, de andere groep kiest voor een eenvoudig depositieproces op een wafer met een vlak oppervlak en moet vervolgens werken om weer zoveel mogelijk licht in te vangen. Dat geeft de industrie wat vrijheid om een route te kiezen.’
Nog geen opmerkingen