Ongezochte vondst wijst de weg naar betere zonnecellen, nieuwe gas sensoren

Een deel van de elektrische ladingen die in zonnecellen ontstaan verdwijnt in ‘vallen’. RUG-onderzoekers deden terwijl ze perovskiet kristallen onderzochten een bijzondere waarneming, die nieuwe inzichten geeft in de aard van deze vallen. Dit kan de efficiëntie van zonnecellen van perovskiet vergroten en nieuwe sensoren voor zuurstof en waterdamp opleveren. De resultaten zijn op 27 juli gepubliceerd in het tijdschrift Science Advances.

Zonnecellen gemaakt van zogeheten hybride perovskieten zijn in 2009 voor het eerst beschreven. De efficiëntie van dit soort zonnecellen is snel gestegen en is nu vergelijkbaar met die van standaard silicium zonnecellen. Ze zetten licht om in stroom met een efficiëntie van 22 procent. ‘De theoretische limiet is 33 procent’, vertelt Maria Antonietta Loi, hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica aan de RUG.

Een deel van de elektrische ladingen die ontstaan verdwijnen in zogeheten ‘vallen’. Dit gebeurt ook in zonnecellen van silicium. Het is daarom nuttig om meer te weten te komen over die vallen, vooral hoe ze zijn te vermijden. RUG-onderzoekers hebben dankzij een toevallige waarneming meer zicht gekregen op de aard van de vallen in hybride perovskieten.

Postdoc Hong-Hua Fang plaatste een perovskiet kristal voor onderzoek in een vacuümkamer. ‘Het doel was om het kristal te koelen’, legt Fang uit. Terwijl de lucht uit de kamer werd gepompt stond een laser aan, die het kristal moest aanslaan. Het laserlicht produceert daardoor elektrische ladingen in het kristal.

Wanneer zo’n lading recombineert (een positieve en negatieve lading komen samen) ontstaat er licht, in dit geval zendt het kristal groen licht uit. Tot zijn verrassing zag Fang dat tijdens het wegpompen van de lucht het groene licht verdween. ‘Maar toen ik de lucht weer in de kamer liet stromen begon het kristal weer licht uit te stralen.’ Blijkbaar verdwijnen zonder lucht de meeste ladingen in de vallen, zodat ze niet meer kunnen recombineren.

Iets in de lucht blokkeert blijkbaar de activiteit van de ‘ladings-eters’ in de kristallen. Dus zocht Fang uit hoe het precies zat, door kristallen te bestuderen die hij blootstelde aan verschillende gassen. Hieruit bleek dat zuurstof en waterdamp er voor zorgen dat de vallen worden uitgeschakeld, terwijl gassen als stikstof, kooldioxide en argon geen effect hebben. De volgende stap was het lokaliseren van de vallen. Dit deed Fang met behulp van twee verschillende lasers waarmee hij selectief het oppervlak en het binnenste van de kristallen kon aanslaan. Zijn conclusie is dat de vallen vooral aan de buitenkant zitten.

Sensor

‘We vermoeden dat er door de kristalstructuur van hybride perovskieten positieve ladingen aan het oppervlak van de kristallen zitten’, legt Loi uit. Nu is het de kunst om een manier te vinden deze vallen uit te schakelen. Waterdamp en zuurstof doen dat, maar kunnen op den duur het materiaal beschadigen dus dat is geen echte oplossing. Fang is druk bezig om alternatieven te onderzoeken.

Als hij iets bruikbaars vindt kan dat de efficiëntie van zonnecellen gemaakt van perovskiet vergroten. ‘Overigens is het aantal vallen in het materiaal dat we in deze experimenten gebruikten al relatief laag. Maar volgens onze schatting zouden we door het uitschakelen van de vallen de efficiëntie kunnen opkrikken van 22 procent naar die van kristallijn silicium, dat is zo’n 25 procent. En misschien zelfs tot daarboven.’

De nieuwe ontdekking heft nog meer mogelijke toepassingen. Loi: ‘Het effect van waterdamp en zuurstof op perovskiet is volledig omkeerbaar, je kunt er dus een sensor van maken.’ Met pervoskiet kristallen in voedselverpakkingen is het mogelijk de aanwezigheid van schadelijk zuurstof op te sporen. ‘Je schijnt er op met een laser en ziet dan direct of de verpakking lek is.’

Referentie: H.-H. Fang, S. Adjokatse, H. Wei, J. Yang, G. R. Blake, J. Huang, J. Even, M. A. Loi, Ultrahigh sensitivity of methylammonium lead tribromide perovskite single crystals to environmental gases. Sci. Adv. 2, 2016. DOI: 10.1126/sciadv.1600534