Een zonnecel maken alsof je een boterham smeert

Een heel goed materiaal voor de productie van zonnecellen is formamidinium lood jodide. Maar het is lastig om hiermee een goede, stabiele kristalstructuur te maken. Technieken die tot nu toe geprobeerd zijn leveren een slecht resultaat op. RUG onderzoekers onder leiding van hoogleraar Fotofysica en Opto-elektronica Maria Antonietta Loi lijken de oplossing te hebben gevonden – met gebruik van een mes en een dip. Het resultaat is gepubliceerd in het tijdschrift Nanoscale op 15 maart.

Het formamidinium lood jodide (FAPbI₃) is een zogeheten perovskiet, een kristal met een bijzondere structuur. Perovskieten zijn vernoemd naar een mineraal met de chemische formule ABX₃. In de geïdealiseerde versie van een ‘cel’ in de kristalstructuur is de X een anion (negatief geladen) dat een octahedron vormt, terwijl de B een centraal kation (positief geladen) is en eromheen een vierkant zit met andere kationen (de A) op de hoeken (zie figuur).

Oplossing

‘Dit formamidinium lood jodide heeft hele goede eigenschappen, maar het kation op de A-positie, het formamidinium, zorgt er voor dat de structuur niet stabiel is’, legt Loi uit. 3D films gemaakt van dit materiaal leveren doorgaans een mengsel op van twee verschillende fasen, een die reageert op licht en een die dat niet doet, wat de werking als zonnecel sterk verslechterd. Daarom zette Loi haar promovendus Sampson Adjokatse aan het werk om een oplossing te vinden.

Die probeerde verschillende technieken uit en een ervan bleek te werken. ‘Het belangrijkste is dat dit bovendien een schaalbare techniek is, die je zou kunnen gebruiken voor grootschalige productie van het materiaal’, zegt Loi. Zonnecellen moeten nu eenmaal in grote panelen worden gemaakt, dus is het belangrijk een goede en goedkope techniek daarvoor te vinden.

Adjokatse begon met een ander type perovskiet, waarin het formamidinium was vervangen door het grotere molecuul 2-fentylethylammonium. Hiervan maakte hij een 2D perovskiet door het materiaal als dunne film ‘uit te smeren’ met de zogeheten rakel-techniek, die gangbaar is in verschillende industriële processen, zoals in drukkerijen.

Stabieler

‘Wat je doet is dat je het materiaal op een ondergrond smeert met behulp van een mes’, legt Adjokatse uit. Het mes is nauwkeurig in te stellen, de methode leverde zo een 2D perovskiet film van 500 nanometer op. ‘Het belangrijkste is dat deze films erg glad zijn, met grote kristallijne domeinen tot wel 15 micrometer’, zegt Adjokatse. De gladde 2D films met 2-fentylethylammonium lood jodide zijn vervolgens gebruikt om een 3D film van formamidinium lood jodide te maken.

Dit gebeurde door de 2D film in een oplossing met formamidinium jodide te dompelen. Dat zorgde voor de groei van een 3D film via een proces genaamd ‘kation uitwisseling’, waarbij het formamidinium de plaats inneemt van het 2-fenylethylammonium. ‘De films die zo ontstaan zenden veel meer licht uit dan een film die met de standaard technieken is gemaakt en ze zijn bovendien stabieler wanneer je het materiaal blootstelt aan licht of vocht’, vertelt Loi. ‘Het betekent dat we nu een methode hebben om een hoge kwaliteit zonnecellen van perovskiet te maken met een techniek die werkt op industriële schaal.’

Referentie: Sampson Adjokatse, Hong-Hua Fang, Herman Duim and Maria Antonietta Loi : Scalable fabrication of high-quality crystalline and stable FAPbI3 thin films by combining doctor-blade coating and the cation exchange reaction. Nanoscale, online 15 March 2019