ONDERWERPEN:EnergieMateriaal kundePerovskiet zonnecelFotovoltaïsche cellenZonnepanelen
Een nieuw type zonnetechnologie leek de afgelopen jaren veelbelovend.Halide perovskiet-zonnecellen zijn zowel goed presterend als goedkoop voor het produceren van elektrische energie - twee noodzakelijke ingrediënten voor elke succesvolle zonnetechnologie van de toekomst.Maar nieuwe zonnecelmaterialen moeten ook de stabiliteit evenaren van op silicium gebaseerde zonnecellen, die meer dan 25 jaar betrouwbaar zijn.
In nieuw gepubliceerd onderzoek laat een team onder leiding van Juan-Pablo Correa-Baena, assistent-professor aan de School of Materials Sciences and Engineering aan Georgia Tech, zien dat halogenide perovskiet-zonnecellen minder stabiel zijn dan eerder werd gedacht.Hun werk onthult de thermische instabiliteit die optreedt in de interfacelagen van de cellen, maar biedt ook een pad voorwaarts naar betrouwbaarheid en efficiëntie voor halogenide perovskiet-zonnetechnologie.Hun onderzoek, gepubliceerd als coverstory voor het tijdschriftGeavanceerde materialenin december 2022, heeft onmiddellijke implicaties voor zowel academici als professionals uit de industrie die werken met perovskieten in fotovoltaïsche cellen, een gebied dat zich bezighoudt met elektrische stromen die worden opgewekt door zonlicht.
Loodhalogenide perovskiet-zonnecellen beloven een superieure omzetting van zonlicht in elektrische stroom.Momenteel is de meest gebruikelijke strategie om een hoge conversie-efficiëntie uit deze cellen te halen, hun oppervlakken te behandelen met grote positief geladen ionen, ook wel kationen genoemd.
Deze kationen zijn te groot om in het rooster op atomaire schaal van perovskiet te passen en veranderen bij het landen op het perovskietkristal de structuur van het materiaal op het grensvlak waar ze worden afgezet.De resulterende defecten op atomaire schaal beperken de efficiëntie van stroomextractie uit de zonnecel.Ondanks het besef van deze structurele veranderingen, is het onderzoek naar de vraag of de kationen stabiel zijn na afzetting beperkt, waardoor er een hiaat ontstaat in het begrip van een proces dat de levensvatbaarheid op lange termijn van halogenide perovskiet-zonnecellen zou kunnen beïnvloeden.
"Onze zorg was dat gedurende lange periodes van zonnecelwerking de reconstructie van de interfaces zou doorgaan", zei Correa-Baena."Dus probeerden we te begrijpen en aan te tonen hoe dit proces in de loop van de tijd plaatsvindt."
Om het experiment uit te voeren, creëerde het team een voorbeeld van een zonne-apparaat met behulp van typische perovskietfilms.Het apparaat beschikt over acht onafhankelijke zonnecellen, waarmee de onderzoekers kunnen experimenteren en gegevens kunnen genereren op basis van de prestaties van elke cel.Ze onderzochten hoe de cellen zouden presteren, zowel met als zonder de kation-oppervlaktebehandeling, en bestudeerden de kation-gemodificeerde interfaces van elke cel voor en na langdurige thermische stress met behulp van op synchrotron gebaseerde röntgenkarakteriseringstechnieken.
Eerst stelden de onderzoekers de voorbehandelde monsters bloot aan 100 gradenCelsiusgedurende 40 minuten, en vervolgens hun veranderingen in chemische samenstelling gemeten met behulp van röntgenfoto-elektronenspectroscopie.Ze gebruikten ook een ander type röntgentechnologie om precies te onderzoeken welk type kristalstructuren zich op het oppervlak van de film vormen.Door de informatie van de twee tools te combineren, konden de onderzoekers visualiseren hoe de kationen in het rooster diffunderen en hoe de interfacestructuur verandert bij blootstelling aan hitte.
Om vervolgens te begrijpen hoe de door kationen veroorzaakte structurele veranderingen de prestaties van zonnecellen beïnvloeden, gebruikten de onderzoekers excitatiecorrelatiespectroscopie in samenwerking met Carlos Silva, hoogleraar natuurkunde en scheikunde aan Georgia Tech.De techniek stelt de zonnecelmonsters bloot aan zeer snelle lichtpulsen en detecteert de intensiteit van het licht dat na elke puls uit de film wordt uitgezonden om te begrijpen hoe energie uit licht verloren gaat.De metingen stellen de onderzoekers in staat om te begrijpen welke soorten oppervlaktedefecten schadelijk zijn voor de prestaties.
Ten slotte correleerde het team de veranderingen in structuur en opto-elektronische eigenschappen met de verschillen in de efficiëntie van de zonnecellen.Ze bestudeerden ook de veranderingen veroorzaakt door hoge temperaturen in twee van de meest gebruikte kationen en observeerden de verschillen in dynamiek op hun grensvlakken.
"Ons werk onthulde dat er sprake is van instabiliteit veroorzaakt door behandeling met bepaalde kationen", zegt Carlo Perini, een onderzoekswetenschapper in het laboratorium van Correa-Baena en de eerste auteur van het artikel."Maar het goede nieuws is dat we, met de juiste engineering van de interfacelaag, in de toekomst verbeterde stabiliteit van deze technologie zullen zien."
De onderzoekers ontdekten dat de oppervlakken van metaalhalogenide-perovskietfilms die zijn behandeld met organische kationen, onder thermische stress blijven evolueren in structuur en samenstelling.Ze zagen dat de resulterende veranderingen op atomaire schaal aan de interface een aanzienlijk verlies aan energieconversie-efficiëntie in zonnecellen kunnen veroorzaken.Bovendien ontdekten ze dat de snelheid van deze veranderingen afhangt van het type kationen dat wordt gebruikt, wat suggereert dat stabiele interfaces binnen handbereik kunnen zijn met adequate engineering van de moleculen.
"We hopen dat dit werk onderzoekers zal dwingen om deze interfaces bij hoge temperaturen te testen en oplossingen te zoeken voor het probleem van instabiliteit", zei Correa-Baena."Dit werk moet wetenschappers in de goede richting wijzen, naar een gebied waarop ze zich kunnen concentreren om efficiëntere en stabielere zonnetechnologieën te bouwen."