(Nanowerk Nieuws) Perovskieten, een brede klasse verbindingen met een bepaald soort kristalstructuur, wordt al lang gezien als een veelbelovend alternatief of aanvulling op de huidige silicium- of cadmiumtelluride-zonnepanelen. Ze zouden veel lichter en goedkoper kunnen zijn, en op vrijwel elk substraat kunnen worden aangebracht, inclusief papier of flexibel plastic dat kan worden opgerold voor gemakkelijk transport. In hun efficiëntie bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit worden perovskieten vergelijkbaar met silicium, waarvan de productie nog steeds lange, complexe en energie-intensieve processen vereist. Een groot resterend nadeel is de lange levensduur: ze hebben de neiging binnen enkele maanden tot jaren kapot te gaan, terwijl siliciumzonnepanelen meer dan twintig jaar mee kunnen gaan. En hun efficiëntie over grote modulegebieden blijft nog steeds achter bij die van silicium. Nu heeft een team van onderzoekers van het MIT en verschillende andere instellingen manieren onthuld om de efficiëntie te optimaliseren en de degradatie beter te beheersen, door de structuur van perovskietapparaten op nanoschaal te ontwerpen. De studie onthult nieuwe inzichten over de manier waarop perovskiet-zonnecellen met hoog rendement kunnen worden gemaakt, en biedt ook nieuwe richtingen voor ingenieurs die eraan werken deze zonnecellen op de commerciële markt te brengen. Het werk wordt beschreven in het tijdschrift Nature Energie (“Verminderde recombinatie via afstembare oppervlaktevelden in dunne films van perovskiet”), in een artikel van Dane deQuilettes, een recente MIT-postdoc die nu medeoprichter en hoofd wetenschap is van de MIT-spin-out Optigon, samen met MIT-professoren Vladimir Bulovic en Moungi Bawendi, en tien anderen bij MIT en in de staat Washington, de Groot-Brittannië en Korea.
Een team van MIT-onderzoekers en verschillende andere instellingen heeft manieren onthuld om de efficiëntie te optimaliseren en de degradatie beter te beheersen, door de structuur van perovskietapparaten op nanoschaal te ontwerpen. Tot de teamleden behoren Madeleine Laitz, links, en hoofdauteur Dane deQuilettes. (Foto: met dank aan de onderzoekers) “Als je ons tien jaar geleden had gevraagd wat de ultieme oplossing zou zijn voor de snelle ontwikkeling van zonne-energietechnologieën, zou het antwoord iets zijn geweest dat net zo goed werkt als silicium, maar waarvan de productie veel eenvoudiger is. ”, zegt Bulovic. “En voordat we het wisten, verscheen het veld van perovskiet-fotovoltaïsche zonne-energie. Ze waren net zo efficiënt als silicium, en ze waren net zo gemakkelijk om op te schilderen als om op een stuk papier te schilderen. Het resultaat was een enorme opwinding op het veld.” Niettemin “zijn er enkele aanzienlijke technische uitdagingen bij het omgaan met en beheren van dit materiaal op een manier die we nog nooit eerder hebben gedaan”, zegt hij. Maar de belofte is zo groot dat vele honderden onderzoekers over de hele wereld aan deze technologie hebben gewerkt. De nieuwe studie kijkt naar een heel klein maar belangrijk detail: hoe je het oppervlak van het materiaal kunt 'passiveren', waardoor de eigenschappen ervan zo veranderen dat de perovskiet niet langer zo snel afbreekt of zijn efficiëntie verliest.
“De sleutel is het identificeren van de chemie van de grensvlakken, de plaats waar de perovskiet andere materialen ontmoet”, zegt Bulovic, verwijzend naar de plaatsen waar verschillende materialen naast perovskiet worden gestapeld om de stroom door het apparaat te vergemakkelijken.
Ingenieurs hebben methoden voor passivering ontwikkeld, bijvoorbeeld door een oplossing te gebruiken die een dunne passiverende coating creëert. Maar ze hadden geen gedetailleerd inzicht in hoe dit proces werkt, wat essentieel is om verdere vooruitgang te boeken bij het vinden van betere coatings. De nieuwe studie “betrof het vermogen om die interfaces tepassiveren en de natuurkunde en wetenschap op te helderen achter waarom deze passivatie zo goed werkt”, zegt Bulovic.
Het team gebruikte enkele van de krachtigste instrumenten die beschikbaar zijn in laboratoria over de hele wereld om de grensvlakken tussen de perovskietlaag en andere materialen, en hoe deze zich ontwikkelen, in ongekend detail te observeren. Dit nauwkeurige onderzoek van het proces van passivatiecoating en de effecten ervan resulteerde in “de duidelijkste routekaart tot nu toe van wat we kunnen doen om de energie-uitlijning op de grensvlakken van perovskieten en aangrenzende materialen te verfijnen”, en zo hun algehele prestaties te verbeteren, aldus Bulovic. zegt.
Hoewel het grootste deel van een perovskietmateriaal de vorm heeft van een perfect geordend kristallijn rooster van atomen, wordt deze orde aan het oppervlak afgebroken. Er kunnen extra atomen uitsteken of vacatures waar atomen ontbreken, en deze defecten veroorzaken verliezen in de efficiëntie van het materiaal. Dat is waar de behoefte aan passivatie om de hoek komt kijken.
“Dit artikel onthult in wezen een handleiding voor het afstemmen van oppervlakken, waar veel van deze defecten voorkomen, om ervoor te zorgen dat er geen energie verloren gaat aan oppervlakken”, zegt deQuilettes. "Het is echt een grote ontdekking voor het veld", zegt hij. “Dit is het eerste artikel dat laat zien hoe systematisch oppervlaktevelden in perovskieten kunnen worden gecontroleerd en ontwikkeld.” De gebruikelijke passivatiemethode is om het oppervlak te baden in een oplossing van een zout genaamd hexylammoniumbromide, een techniek die enkele jaren geleden aan het MIT is ontwikkeld door Jason Jungwan Yoo PhD '20, die mede-auteur is van dit artikel, en die heeft geleid tot meerdere nieuwe wereldrecord efficiëntie. Door dat te doen “vorm je een heel dunne laag bovenop je defecte oppervlak, en die dunne laag passiveert veel van de defecten heel goed”, zegt deQuilettes. “En dan dringt het broom, dat deel uitmaakt van het zout, daadwerkelijk controleerbaar door in de driedimensionale laag.” Die penetratie helpt voorkomen dat elektronen energie verliezen aan defecten aan het oppervlak.
Deze twee effecten, geproduceerd door een enkele verwerkingsstap, zorgen tegelijkertijd voor de twee gunstige veranderingen. "Het is echt prachtig, want meestal moet je dat in twee stappen doen", zegt deQuilettes.
De passivatie vermindert het energieverlies van elektronen aan het oppervlak nadat ze door zonlicht zijn losgeslagen. Deze verliezen verminderen de algehele efficiëntie van de omzetting van zonlicht in elektriciteit, waardoor het verminderen van de verliezen de netto-efficiëntie van de cellen verhoogt.
Dat zou snel kunnen leiden tot verbeteringen in de efficiëntie van de materialen bij het omzetten van zonlicht in elektriciteit, zegt hij. De recente efficiëntierecords voor een enkele perovskietlaag, waarvan er verschillende zijn vastgelegd op MIT, variëren van ongeveer 24 tot 26 procent, terwijl de maximale theoretische efficiëntie die kan worden bereikt ongeveer 30 procent bedraagt, aldus deQuilettes.
Een stijging van een paar procent klinkt misschien niet veel, maar in de fotovoltaïsche sector zijn dergelijke verbeteringen zeer gewild. "Als je in de silicium-fotovoltaïsche industrie een halve procent aan efficiëntie wint, is dat op de wereldmarkt honderden miljoenen dollars waard", zegt hij. Een recente verschuiving in het ontwerp van siliciumcellen, waarbij in wezen een dunne passiveringslaag wordt toegevoegd en het doteringsprofiel wordt gewijzigd, levert een efficiëntiewinst op van ongeveer een half procent. Als gevolg hiervan “is de hele sector aan het veranderen en probeert ze snel druk uit te oefenen om daar te komen.” De algehele efficiëntie van siliciumzonnecellen heeft de afgelopen dertig jaar slechts zeer kleine verbeteringen gekend, zegt hij.
De recordefficiënties voor perovskieten zijn meestal gevestigd in gecontroleerde laboratoriumomgevingen met kleine monsters van het materiaal ter grootte van een postzegel. “Het vertalen van een recordefficiëntie naar commerciële schaal kost veel tijd”, zegt deQuilettes. “Een andere grote hoop is dat mensen met dit inzicht grote gebieden beter kunnen ontwerpen om deze passiverende effecten te bewerkstelligen.” Er zijn honderden verschillende soorten passivatiezouten en veel verschillende soorten perovskieten, dus het basisbegrip van het passivatieproces dat door dit nieuwe werk wordt geboden, zou onderzoekers kunnen helpen om nog betere combinaties van materialen te vinden, suggereren de onderzoekers. "Er zijn zoveel verschillende manieren waarop je de materialen kunt ontwikkelen", zegt hij.
“Ik denk dat we op de drempel staan van de eerste praktische demonstraties van perovskieten in commerciële toepassingen”, zegt Bulovic. “En die eerste toepassingen zullen ver verwijderd zijn van wat we over een paar jaar zullen kunnen doen.” Hij voegt eraan toe dat perovskieten “niet mogen worden gezien als een vervanging van silicium-fotovoltaïsche zonne-energie. Het moet worden gezien als een uitbreiding – nog een andere manier om een snellere inzet van zonne-energie te bewerkstelligen.” “Er is de afgelopen twee jaar veel vooruitgang geboekt bij het vinden van oppervlaktebehandelingen die perovskiet-zonnecellen verbeteren”, zegt Michael McGehee, hoogleraar chemische technologie aan de Universiteit van Colorado, die niet bij dit onderzoek betrokken was. “Veel van het onderzoek is empirisch geweest en de mechanismen achter de verbeteringen zijn nog niet volledig begrepen. Uit dit gedetailleerde onderzoek blijkt dat behandelingen niet alleen defecten kunnen passief maken, maar ook een oppervlakteveld kunnen creëren dat dragers afstoot die aan de andere kant van het apparaat moeten worden verzameld.
- Door SEO aangedreven content en PR-distributie. Word vandaag nog versterkt.
- PlatoData.Network Verticale generatieve AI. Versterk jezelf. Toegang hier.
- PlatoAiStream. Web3-intelligentie. Kennis versterkt. Toegang hier.
- PlatoESG. carbon, CleanTech, Energie, Milieu, Zonne, Afvalbeheer. Toegang hier.
- Plato Gezondheid. Intelligentie op het gebied van biotech en klinische proeven. Toegang hier.
- Bron: https://www.nanowerk.com/nanotechnology-news3/newsid=64752.php
