Nieuwe generatie ‘tandemzonnecel’ uit perovskiet

Onderzoekers van de UHasselt en imec (partner in Solliance en EnergyVille) zijn er, samen met Britse en Amerikaanse collega’s, in geslaagd om een tandemzonnecel te ontwikkelen waarvan beide subcellen bestaan uit perovskiet. “De zonnecel heeft een superieure lichtabsorptie, waardoor ze meer invallend zonlicht kan omzetten in elektrische stroom”, aldus dr. ir. Bert Conings, verbonden aan imo-imomec.

Het onderzoek – uitgevoerd in samenwerking met de universiteiten van Oxford, Stanford en Washington – verscheen onlangs in ‘Science’.

Tandemzonnecellen bestaan uit twee componenten/laagjes die elk een specifiek deel van het zonlicht kunnen absorberen. “Het voordeel is dat ze samen een grotere portie van de energie die de zon instraalt, kunnen opnemen en met een minimum aan spanningsverlies kunnen omzetten naar elektrische energie”, zegt dr. ir. Bert Conings. Hij is FWO-onderzoeker aan het Instituut voor Materiaalonderzoek (imo-imomec) van de UHasselt.

Bij het ontwikkelen van zo een tandemzonnecel focuste het onderzoeksteam op het gebruik van perovskiet – in plaats van op het gebruikelijke silicium. “Ten opzichte van de gevestigde zonneceltechnologieën – uit bijvoorbeeld silicium of cadmium-telluride – zijn perovskietzonnecellen eenvoudiger te vervaardigen. Het materiaal kan op lage temperatuur vanuit een soort inkt afgezet worden via coating of printing. Die laatste techniek is ook al bekend van de organische zonnecellen, maar kwam nog niet van de grond omwille van hun beperkte efficiëntie.”

Bij perovskieten is die efficiëntie alvast géén probleem. “De recordefficiëntie van deze soort ligt op hetzelfde niveau als die van de al gecommercialiseerde zonnecellen uit cadmium-telluride. En dat ondanks het feit dat de technologie in haar kinderschoenen staat.” Nog een voordeel: fotovoltaïsche perovskieten nemen zó makkelijk zonlicht op dat je slechts een heel dunne laag nodig hebt – minstens 1.000 keer dunner dan bij een siliciumzonnecel. De materiaalkost ligt bovendien erg laag.

Efficiëntie meer dan 20%

Imo-imomec-onderzoekers Bert Conings, Aslihan Babayigit en prof. dr. Hans-Gerd Boyen ontwikkelden gladde lagen uit perovskiet en onderzochten die met behulp van een zogenaamde ‘X-straal foto-elektronspectroscopie’. Bert Conings: “Daarbij schoten we met X-stralen – letterlijk – elektronen los uit het perovskiet. Aan de hand van de snelheid van die losgeschoten elektronen konden we dan bepalen of die elektronen ‘trappen moeten lopen’ eens er licht op de zonnecel valt. Als dat zou gebeuren, dan zou er een deel verloren gaan van de geabsorbeerde energie van het zonlicht die de elektronen transporteren. En dat is slecht voor het maximale rendement.”

Samen met de collega-onderzoekers van de universiteiten van Oxford, Stanford en Washington slaagden ze er uiteindelijk in om een tandemzonnecel te vervaardigen waarvan beide delen uit perovskiet bestaan. Een mijlpaal. “Beide delen zijn geoptimaliseerd voor een zo hoog mogelijke lichtabsorptie van een complementair deel van het zonnespectrum. Dat levert een totale efficiëntie van meer dan 20% op”, aldus Aslihan Babayigit. “Het is minder dan de 22% van enkelvoudige zonnecellen, maar gezien de ingewikkelde laagopbouw van een tandem en de technische uitdagingen die ermee gepaard gaan, een zeer hoopvol resultaat.”

Naar nieuw record

Onderzoekers zullen nu werken aan het verder optrekken van de efficiëntie van de perovskieten tandemzonnecel. “Een laagopbouw van hoge kwaliteit garanderen, vormt daarbij een sleutel tot succes”, aldus dr. ir. Bert Conings. “Ook de samenstelling van het perovskiet kan verbeterd worden, om zo een nóg breder stuk van het zonnespectrum te absorberen. Verder zullen we moeten kijken naar hoe we het materiaal minder gevoelig maken voor vochtigheid. En tot slot: succesvolle perovskieten bevatten nog een kleine hoeveelheid lood, dus er zouden bij voorkeur loodvrije varianten ontwikkeld moeten worden.”

Nieuwsbericht van UHasselt, 07/11/2016, Foto: Universiteit Hasselt / Liesbeth Driessen