Stresstesten van perovskiet-zonnecellen

Goedkoop, flexibel en efficiënt – dit zijn de voordelen van op perovskiet gebaseerde zonnecellen ten opzichte van silicium, het voorheen dominante halfgeleidermateriaal. Zelfs het hoge rendement van de beste laboratoriumcellen van 25,7 procent doet nauwelijks onder voor dat van siliciumzonnecellen. Het gebrek aan duurzaamheid van perovskiet alleen heeft tot dusver de ontwikkeling van serieproductie vertraagd. Maar nu zijn Amerikaanse onderzoekers erin geslaagd om de levensduur van hun prototypes te verlengen met een ultradunne beschermlaag. Zoals ze in het tijdschrift Science rapporteren, kunnen perovskiet-zonnecellen gedurende meer dan vijf jaar zonne-energie opwekken tot 35 ° C en zonder tekenen van verval.

Vooral de zonabsorberende perovskietlaag en de onderliggende laag voor het transport van elektrische ladingsdragers waren tot nu toe gevoelig. Een werkgroep onder leiding van Yueh-Lin Loo van Princeton University voegde tussen deze lagen een beschermende laag toe van de elementen cesium, lood en jodium, slechts enkele atomen dik, die belangrijk zijn voor de opwekking van zonne-energie. Dit materiaal, 2D genaamd, heeft een sterk stabiliserend effect op de omringende lagen. Eerste waarnemingen toonden aan dat de perovskiet-zonnecel zelfs na zes maanden niets van zijn efficiëntie verloor.

Lu en collega’s analyseerden deze verrassende stabiliteit vervolgens in meer detail. Hiervoor ontwikkelden ze een soort stresstest voor zonnecellen om in een kwestie van weken en maanden conclusies te kunnen trekken over hun duurzaamheid over vele jaren. “Een levensduur van 30 jaar is wenselijk, maar we kunnen onze cellen pas over 30 jaar testen”, zegt Loo. Dus stelden de onderzoekers hun zonnecellen niet alleen bloot aan permanent kunstmatig zonlicht, maar verwarmden ze ze ook tot 110 graden Celsius. Onder deze omstandigheden kan het verouderingsproces van zonnecellen sterk worden versneld. Uit de verkregen gegevens konden vervolgens conclusies worden getrokken over de werkelijke levensduur onder koudere en meer realistische omstandigheden.

Bij deze stresstests bij 110 graden zakte het rendement van de zonnecellen pas na ruim 2.100 uur naar zo’n 80 procent. Aan de andere kant konden Lu en collega’s bij 35° geen prestatieverlies vaststellen. Nauwkeurigere berekeningen toonden aan dat zonnecellen bij gematigde temperaturen een verbazingwekkend lange levensduur van meer dan vijf jaar zouden moeten halen. “We mogen het record voorlopig vasthouden, maar een andere werkgroep zou binnenkort een betere kunnen doen”, zegt Lu.

Deze studie bewijst dat 2D-beschermende lagen het stabiliteitsprobleem van perovskiet-zonnecellen kunnen oplossen. Met fysische variabelen en nieuwe fabricageprocessen is het niet ondenkbaar dat perovskiet-zonnecellen gedurende 20 tot 30 jaar ook zeer efficiënt zonne-energie zullen kunnen opwekken. Tegelijkertijd kan het relatief lage rendement van 17,4 procent worden verhoogd in het langlopende prototype. De kans is dus reëel dat er binnen enkele jaren pure perovskiet-zonnecellen met een efficiëntie van meer dan 20 procent of perovskiet-silicium tandemcellen met een efficiëntie tot 30 procent kunnen worden geproduceerd.