Engelse onderzoekers denken nu precies te weten waarom perovskietzonnecellen zo snel vergaan. En ook wat ze hier tegen kunnen doen, schrijven ze in Nature Communications.

Die snelle degradatie is de reden dat perovskietzonnecellen nog altijd niet meer zijn dan veelbelovend. Je kunt er gemakkelijk rendementen van 22 % mee halen, veel meer dus dan met de huidige commerciële siliciumzonnepanelen. Maar de levensduur is veel te beperkt.

Dat ‘perovskiet’ is de populaire aanduiding voor wat in de praktijk meestal een methylammoniumloodhalideperovskiet is met jood als halogeen. CH₃NH₃PbI₃-kristalletjes, dus. De afbeelding laat zien hoe ze zijn opgebouwd uit een rooster van volumineuze lood- en jodionen waar de veel kleinere CH₃NH₃⁺-ionen min of meer los tussen zitten.

Eerder ontdekten Saif Haque en M. Sailful Islam al dat deze kristallen onder invloed van licht de vorming van reactieve superoxides katalyseren uit zuurstof uit de lucht. Die superoxides (O₂^--radicalen) zijn uiterst reactief en breken het perovskiet op tot PbI₂, H₂O, I₂ en CH₃NH₂.

Hun jongste metingen bevestigen ten eerste de eerdere waarneming dat O₂ uiterst snel het perovskiet in diffundeert: een 500 nm dik laagje is na tien minuten al verzadigd. De zuurstof gaat daarbij tussen de kristalletjes in zitten, en de superoxides vormen zich op de kristaloppervlakken.

Dat doet meteen vermoeden dat perovskiet stabieler is naarmate die kristallen groter zijn, en dat blijkt te kloppen. Het verklaart de waarneming dat perovskiet stabieler wordt wanneer je een klein deel van de joodionen vervangt door chloor: dat chloor vertraagt de kristalvorming, en daardoor worden die kristallen vanzelf groter.

Met dichtheidsfunctionaaltheoretische berekeningen is bovendien gekeken, waar op de kristallen dat superoxide zich vormt. Energetisch gezien blijkt dat het gemakkelijkst te gaan op plekken waar een joodion aan de structuur ontbreekt. Alleen al omdat O₂^- veel kleiner is dan I^-. Door die O₂^--vorming worden de kristaloppervlakken aangetast waardoor O₂ in de structuur kan dringen en steeds dieper gelegen gaten kan bereiken.

De oplossing is dus simpel: die gaten dichten. En dat kan door het perovskiet te coaten met een ander jodide, liefst een met een kation dat te groot is om stiekem zelf in zo’n gat te blijven steken. De auteurs hebben het geprobeerd met fenylethylammoniumjodide, en het bleek een duidelijke verbetering.

Overigens blijft het gecoate perovskiet nog steeds een beetje degraderen. De auteurs vermoeden daarom dat er nog meer aan de hand is. Wordt vervolgd.

bron: C&EN