Met guanidiniumionen kun je perovskietzonnecellen maken die 19 % rendement halen én stabiel genoeg zijn om een paar jaar mee te gaan. En dat terwijl ze er in theorie eigenlijk niet in passen, claimen althans Mohammad Khaja Nazeeruddin en collega’s van de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (campus Sion) in Nature Energy.

Zo’n perovskiet (correcter: een materiaal met een perovskietachtige kristalstructuur) is gewoonlijk opgebouwd uit drie soorten ionen: lood, een halogeen (hier jood) en een organisch kation. Dat laatste zit als het ware los in kooitjes, die door de andere twee worden gevormd. Het meest populair is tot nu toe methylammonium (CH₃NH₃⁺). Met zonnepanelen waarin deze combinatie zit verwerkt, zijn rendementen van minstens 22 % te bereiken; bovendien zijn ze relatief goedkoop. Maar tot nu toe is de levensduur te kort om praktisch bruikbaar te zijn.

Nazeeruddin stelt nu dat men bij het zoeken naar alternatieve organische kationen misschien wel iets te sterk heeft vastgehouden aan de zogeheten Goldschmidt-tolerantiefactor. Die bepaalt in wezen of zo’n ion wel klein genoeg is om in de kooitjes te passen. Is hij groter dan 1, dan zouden die kooitjes zich in theorie niet meer moeten kunnen vormen en kristalliseert het perovskiet dus niet correct uit.

Maar naar nu blijkt, kun je maximaal een kwart van het methylammonium gewoon vervangen door C(NH₂)₃⁺ oftewel guanidiniumionen met een Goldschmidt-tolerantiefactor van 1,03. Methylammonium is iets te klein en kennelijk past de combinatie prima, met een beetje wringen.

Berekeningen met dichtheidsfunctionaaltheorie suggereren dat een dergelijke perovskiet veel stabieler moet zijn dan eentje met alleen methylammonium, volgens Nazeeruddin doordat zich meer waterstofbruggen kunnen vormen. En in de praktijk blijkt dat inderdaad te kloppen: tijdens een standaard-zonnecellentest overleefde zo’n paneel 1.000 uur continue belichting bij 55°C.

In een persbericht rekent Nazeeruddin voor dat je dan bij een normaal dag-en-nachtritme en een normale buitentemperatuur van 25°C een levensduur mag verwachten van minstens 3,7 jaar - nog lang niet het niveau van siliciumzonnepanelen, maar het gaat de goede kant uit.

Guanidinium neemt daarbij niet de rol van methylammonium als lichtvanger over, maar dat blijkt niet zo’n bezwaar. Beperk je het guanidinumgehalte tot 14 %, dan is minstens 20 % rendement nog gewoon haalbaar.

Het onderzoek laat nog een hoop vragen open voor wat de theoretische achtergronden betreft, maar het geeft goede hoop dat het uiteindelijk nog wel iets wordt met perovskietzonnecellen.

bron: EPFL