Betere, goedkopere zonnepanelen dankzij hybride perovskieten

Misschien heb je nog nooit gehoord van perovskieten, maar zij kunnen zonnepanelen een stuk goedkoper maken. En ze zorgen voor efficiëntere röntgendetectoren, waardoor artsen minder straling nodig hebben voor een scan. Hoogleraar fotofysica en opto-elektronica Maria Antonietta Loi bestudeert dit bijzondere materiaal en heeft er net twee artikelen over gepubliceerd.

Perovskiet is een mineraal, dat in 1839 is ontdekt door de Duitse mineraloog Gustave Rose in het Oeralgebergte. Het heeft een bijzondere kristalstructuur, een octaëder en een kubus rond een centraal atoom. Later bleek dat een groot aantal verbindingen de typische perovskiet kristalstructuur hebben, zodat er een klasse van ‘perovskieten’ ontstond.

In 2009 zijn voor het eerste zonnecellen van perovskiet beschreven. ‘Ze absorberen veel licht’, zegt Maria Antonietta Loi. ‘En ze vertonen een goed elektronen transport.’ Bovendien is het mogelijk om kristallen en dunne films te laten groeien uit een oplossing en is het materiaal zeer goedkoop. De efficiëntie van de eerste perovskiet zonnecellen was niet om over naar huis te schrijven, maar binnen een paar jaar is dat opgekrikt naar 22 procent, ongeveer vergelijkbaar met hoge kwaliteit silicium zonnecellen. ‘De efficiëntie van de conversie van licht naar stroom is zeer snel verbeterd.’

Stabiliteit

Loi bestudeert de perovskieten nu al een aantal jaren. In een artikel dat op 8 april verscheen in het tijdschrift Light: Science & Application beschrijft haar postdoc Hong-Hua Fang met enkele collega’s perovskiet-zonnecellen die zijn gemaakt van verschillende verbindingen. Zij keken naar de optische eigenschappen van dunne films, om te zien hoe de aard van de uitgangsstoffen niet alleen de eigenschappen van de zonnecellen bepalen, maar ook de interactie van licht met de dunne films.

‘Het is een nogal technisch artikel’, zegt Loi. ‘Ik wil namelijk graag begrijpen wat de fysische eigenschappen van het materiaal zijn om het met behulp van die kennis te verbeteren.’ De stabiliteit van perovskieten mag bijvoorbeeld nog wel wat groter worden. ‘En we willen de chemische structuur beter afstellen, om zo de efficiëntie te vergroten. Er zijn tal van soorten hybride perovskieten te maken, mijn collega Thom Palstra zoekt actief naar nieuwe systemen.’

In het perovskiet dat zij gebruiken zitten organische moleculen, daarom heten ze ‘hybriden’. In Groningen bestaat een lange traditie in het bestuderen van organische zonnecellen. ‘We bouwen voort op die ervaring’, zegt Loi. Maar het mengsel waaruit hun perovskiet bestaat – en dat van alle perovskiet zonnecellen tot nu toe – bevat lood, een zeer giftige stof. ‘Dit zou op termijn een probleem kunnen zijn, zelfs als loodhoudende zonnecellen worden toegestaan.’ Desondanks, vertelt Fang, zijn er ‘verschillende startups die prototypen van perovskiet zonnepanelen bouwen.’

Hybride perovskieten zijn bijzonder: naast zonnecellen kunnen deze perovskieten gebruikt worden om röntgen detectoren te bouwen. Loi en Fang maakten deel uit van een internationaal team dat een zeer efficiënte röntgen detector heeft beschreven, gemaakt van perovskiet kristallen. ‘Die zijn vier keer efficiënter dan de beste detectoren die er bestaan’, zegt Fang.

Röntgenstraling

De detectoren zetten de energie van de röntgenstraling om in een elektrische stroom. Loi: ‘Perovskiet bevat veel zware atomen die de straling zeer efficiënt absorberen.’ Met betere detectoren is het mogelijk minder straling te gebruiken tijdens bijvoorbeeld een CT scan.

Een apparaat met een duidelijke toepassing maken is mooi, maar voor Loi gaat het vooral om een beter begrip van de manier waarop perovskiet werkt, wat het materiaal zo bijzonder maakt. ‘Dat is de verbindende vraag tussen beide artikelen.’ Het artikel over de röntgen detector verscheen op 21 maart in Nature Photonics.

Haar recente werk aan perovskiet heeft van Loi een van de leiders in het veld gemaakt. Haar artikelen over dit onderwerp hebben al een paar keer de cover van wetenschappelijke tijdschriften gehaald, en ze schreef drie jaar geleden een ‘News & Views’ commentaar voor Nature Materials, samen met haar Groningse collega Kees Hummelen, een pionier op het terrein van organische zonnecellen.

En er zit meer in de pijplijn, zowel fundamenteel als toegepast werk. De synergie die daartussen bestaat binnen het Zernike Institute for Advanced Materials is ideaal, vindt Loi. En perovskiet is geweldig spul. ‘Het is goedkoop, je kunt er detectoren van maken, zonnepanelen of lichtbronnen, en de methode om er kristallen of dunne lagen van te maken is zo simpel dat je het in je keuken zou kunnen doen.’

Referenties:

Photoexcitation dynamics in solution-processed formamidinium lead iodide perovskite thin films for solar cell applications. Hong-Hua Fang, Feng Wang, Sampson Adjokatse, Ni Zhao, Jacky Even and Maria Antonietta Loi doi:10.1038/lsa.2016.56

Sensitive X-ray detectors made of methylammonium lead tribromide perovskite single crystals. Haotong Wei, Yanjun Fang, Padhraic Mulligan, William Chuirazzi, Hong-Hua Fang, Congcong Wang, Benjamin R. Ecker, Yongli Gao, Maria Antonietta Loi, Lei Cao & Jinsong Huang, Nature Photonics 21 March 2016 doi:10.1038/nphoton.2016.41