Röntgenstraling onthult hoe kristallen van nieuw type zonnecellen groeien

Kort & bondig

Tien jaar geleden ontdekten wetenschappers een nieuw, veelbelovend materiaal om licht om te zetten in elektriciteit: metaal-halogenide perovskiet. De eerste zonnecellen gebaseerd op deze perovskieten bevatten het giftige lood. Al snel werden alternatieven ontwikkeld op basis van tin, maar die waren niet stabiel genoeg. Enkele jaren geleden toonden RUG-onderzoekers aan dat het toevoegen van een andere vorm van perovskiet – die bestaat uit tweedimensionale laagjes in plaats van driedimensionale kristallen – de stabiliteit kan verbeteren. Alleen werd hierdoor de efficiëntie van de zonnecellen erg laag. Daarom hebben RUG-onderzoekers nu gekeken hoe de dunne films van op tin gebaseerd perovskiet groeien. Zij ontdekten dat in een mengsel van 3D en 2D perovskiet het 2D materiaal zorgt dat de 3D kristallen zich netjes rangschikken. Maar tegelijkertijd vormt het 2D materiaal een isolerende laag. Als die laag doorbroken kan worden, zou dat stabiele en efficiënte zonnecellen van op tin gebaseerd perovskiet kunnen opleveren.

Op lood gebaseerd perovskiet is een veelbelovend materiaal voor het maken van zonnepanelen. Het zet licht zeer efficiënt om in stroom maar heeft ook enkele nadelen: de meest efficiënte materialen zijn niet erg stabiel, en lood is nogal giftig. RUG-onderzoekers zoeken daarom naar loodvrije perovskieten. Twee factoren die de efficiëntie van die alternatieven beïnvloeden zijn hun vermogen om dunne films te vormen en de structuur van het materiaal. Daarom is het belangrijk te onderzoeken hoe loodvrije perovskietkristallen zich vormen en hoe de kristalstructuur de werking van zonnecellen beïnvloedt. De resultaten van dit onderzoek zijn op 31 maart gepubliceerd in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

Zonnecellen van perovskiet zijn voor het eerst gemaakt in 2009, waarna ze al snel bijna even efficiënt werden als standaard zonnecellen van silicium. Perovskiet heeft een heel bijzondere kristalstructuur. Iedere eenheid bestaat uit een kubus, waarbij (negatief geladen) anionen een octaëder vormen met in het centrum een (positief geladen) kation. Op de hoeken van de kubus bevindt zich een ander, groter kation. Perovskieten kunnen bestaan uit verschillende combinaties van ionen.

Spin coating

De beste resultaten zijn behaald met perovskieten waarbij lood het centrale kation is. Maar omdat dit metaal giftig is, zijn er alternatieven ontwikkeld, zoals formamidinium tin iodide (FASnI3). Dit is een veelbelovend materiaal, maar het is niet zo stabiel als de loodhoudende perovskieten. Er is geprobeerd om de 3D kristallen van FASnI3 te mengen met gelaagd perovskiet, met het organische kation fenylethylammonium (PEA). ‘Mijn RUG-collega Maria Loi en haar team hebben laten zien dat het toevoegen van een klein beetje PEA een stabieler en efficiënter materiaal oplevert’, zegt universitair docent Giuseppe Portale [1]. ‘Maar wanneer je veel PEA toevoegt, gaat de efficiëntie van de zonnecellen weer achteruit.’

Daarom is de hulp van Portale ingeroepen. Loi heeft de vorming van perovskiet al langer bestudeerd, maar Portale heeft een röntgen diffractie techniek ontwikkeld waarmee hij de snelle vorming van dunne films kan volgen tijdens de productie via spin coating [2] [3]. In laboratoria is spin coating de gebruikelijke manier om dunne films van perovskiet te maken. Hierbij wordt een oplossing met bouwstenen aangebracht op een snel draaiend substraat. De kristallen groeien als het oplosmiddel verdampt. In de Europese Synchrotron Faciliteit in Grenoble (Frankrijk) heeft Portale onderzocht wat er gebeurt tijdens de vorming van dunne films van op tin gebaseerd perovskiet.

Grens

‘Op basis van eerdere experimenten dachten we dat de kristallen vanaf het substraat omhoog groeien’, legt Portale uit. Maar toen ze het proces onderzochten zagen ze het omgekeerde: kristallen begonnen te groeien op de grens van vloeistof en lucht. Tijdens de experimenten gebruikte hij 3D FASnI3 waaraan hij verschillende hoeveelheden van het tweedimensionale materiaal PEASnI4 toe had gevoegd. In het pure 3D perovskiet vormden de kristallen zich op de vloeistof/lucht grens, maar ook dieper in de vloeistoflaag. Na toevoeging van een klein beetje van het 2D materiaal was er geen groei in de vloeistof meer, maar alleen op de grens met de lucht.

‘PEA moleculen spelen een actieve rol in de vloeistof waaruit perovskieten ontstaan. Ze stabiliseren de groei van geordende 3D-achtige kristallen, doordat ze de randen van de kristallen gelijk trekken. Bovendien voorkomt PEA de vorming van kristallistatiekernen in de vloeistof, zodat de groei alleen plaatsvindt op het grensvlak tussen vloeistof en lucht’, legt Portale uit. De films die hierdoor ontstaan bestaan uit geordende 3D kristallen van perovskiet met een heel klein beetje 2D materiaal onderop de film. Toevoegen van een klein beetje van dit 2D materiaal zorgt er daarom voor dat er stabiel en efficiënt lichtgevoelig materiaal ontstaat. Maar de toevoeging van meer 2D materiaal doet die efficiëntie dramatisch dalen.

Isolator

De experimenten van Portale en Loi kunnen dit verklaren: ‘Het 2D perovskiet bevindt zich op de grens van het substraat en de dunne film. Wanneer de hoeveelheid te groot is, vormt zich hier een dikke organische 2D laag die zich gedraagt als een isolator. Dat is natuurlijk slecht voor de werking van een zonnecel.’ De conclusie van het onderzoek is dat de vorming van die isolerende laag moet worden voorkomen om een op tin gebaseerd perovskiet te krijgen dat zowel stabiel als efficiënt is. ‘Dat moeten we nu dus voor elkaar zien te krijgen, bijvoorbeeld door te variëren met het oplosmiddel, de temperatuur of de interactie tussen perovskiet en substraat. Hopelijk kunnen we zo de vorming van die isolerende laag voorkomen.’

Referentie: Jingjin Dong, Shuyan Shao, Simon Kahmann, Alexander J. Rommens, Daniel Hermida‐Merino, Gert H. ten Brink, Maria A. Loi & Giuseppe Portale: Mechanism of Crystal Formation in Ruddlesden–Popper Sn‐Based Perovskites. Advanced Functional Materials, 31 March 2020

[1] Shao, Shuyan, et al. Highly reproducible Sn‐based hybrid perovskite solar cells with 9% efficiency. Advanced Energy Materials 8.4 (2018): 1702019.

[2] Van Franeker, Jacobus J., et al. Sub‐Micrometer Structure Formation during Spin Coating Revealed by Time‐Resolved In Situ Laser and X‐Ray Scattering. Advanced Functional Materials 27.46 (2017): 1702516.

[3] Fleury, Guillaume, et al. Micellar‐Mediated Block Copolymer Ordering Dynamics Revealed by In Situ Grazing Incidence Small‐Angle X‐Ray Scattering during Spin Coating. Advanced Functional Materials 29.10 (2019): 1806741.