211service.com
Gecontroleerde kristallen maken een nieuw zonnemateriaal praktisch
Een nieuwe manier om de groei van kristallijne materialen, perovskieten genaamd, te beheersen, zou kunnen leiden tot commerciële zonnecellen die hoge prestaties en lage kosten bieden. Hoewel individuele perovskietcellen veelbelovende resultaten hebben geboekt in het laboratorium, was het tot nu toe niet duidelijk hoe ze in uniforme batches zouden kunnen worden gemaakt.
Bepaalde perovskieten kunnen de energie van zonlicht zeer efficiënt oogsten omdat ze zowel zichtbaar als infrarood licht sterk absorberen. En in tegenstelling tot siliciumfilms, die bij hoge temperaturen worden gemaakt, kunnen perovskietfilms bij veel lagere temperaturen uit oplossing worden gemaakt. Het moet mogelijk zijn om perovskiet-zonnecellen te maken met goedkope, energiezuinige methoden zoals printen.
De eerste perovskietcellen werden in 2009 gemaakt, maar de best kan al converteren 17,9 procent van de energie in zonlicht wordt omgezet in elektriciteit. Dat begint te concurreren met commerciële dunnefilmcellen zoals cadmiumtelluride en silicium, zegt Timothy Kelly , een chemicus aan de Universiteit van Saskatchewan in Saskatoon, Canada.
Het is echter moeilijk gebleken om op consistente wijze perovskiet-zonnecellen van hoge kwaliteit te maken. In de batches die tot nu toe zijn gemaakt, is er een grote variatie in hoe effectief individuele cellen licht kunnen omzetten in elektriciteit. Als je 10 verschillende perovskietcellen maakt, krijg je 10 verschillende efficiënties, zegt Prashant Kamat , een chemicus aan de Universiteit van Notre Dame in Indiana. Het is frustrerend.
Het probleem wordt veroorzaakt door variatie in de grootte van de kristallen in verschillende cellen. Voor elektronen in een zonnecel zijn de grenzen tussen kristallen als muren, dus grotere kristallen bieden minder belemmeringen voor de stroom van elektriciteit. Nieuw onderzoek vandaag gepubliceerd in het tijdschrift Natuur Nanotechnologie zou een manier kunnen zijn om dat probleem op te lossen door te laten zien hoe de groei van perovskietkristallen kan worden gecontroleerd.
De perovskiet die voor zonnecellen wordt ontwikkeld, heeft een ingrediëntenlijst met een koolwaterstof, ammoniak, lood en jodium. Er zijn veel perovskieten - de naam verwijst naar de kristalstructuur van deze materialen - maar deze is het meest veelbelovend voor gebruik in zonnecellen. De kristallen worden gemaakt in een tweestapsproces dat begint met het bekleden van een oppervlak met een loodjodide-oplossing en het laten drogen. Vervolgens wordt het oppervlak bedekt met een oplossing van methylammoniumjodide. Terwijl dat uitdroogt, komen verbindingen uit de twee lagen samen om perovskietkristallen te vormen.
Michael Grätzel , een chemicus aan de Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne, Zwitserland, en Nam-Gyu-park , een chemicus aan de Sungkyunkwan University in Korea, heeft nu een recept uitgewerkt om dat proces onder controle te krijgen. Ze ontdekten dat ze, door de concentraties van de startoplossingen en andere verwerkingsomstandigheden zorgvuldig te regelen, consistent perovskietfilms konden maken met de grotere kristallen die nodig zijn voor een efficiënte zonnecel.
De Zwitserse en Koreaanse groepen gebruikten deze methoden om perovskiet-zonnecellen te maken met een gemiddeld rendement van 16,4 procent en zeer weinig variatie in efficiëntie tussen verschillende cellen.
Park zegt dat nu het mogelijk is om perovskiet van hoge kwaliteit betrouwbaar te maken, het tijd is om andere problemen met het materiaal aan te pakken. Een daarvan is dat vochtigheid ervoor zorgt dat de materialen afbreken en methylammonium lekken. Park zegt dat onderzoekers ofwel een manier moeten vinden om perovskiet-zonnecellen af te dichten tegen vocht, of nieuwe versies van de materialen moeten vinden. Een ander probleem is dat de materialen zijn gemaakt van lood, dat giftig is.
Nadat we van deze materialen hebben geleerd, moeten we naar andere materialen gaan, omdat lood niet milieuvriendelijk is en dit materiaal niet stabiel is, zegt Mercouri Kanatzidis , een chemicus aan de Northwestern University in Illinois. Hij en Northwestern materiaalwetenschapper Robert Chang hebben een loodvrij perovskiet ontwikkeld dat tin vervangt. Het zet momenteel alleen licht om in elektrische stroom met een efficiëntie van 6 procent. Maar ze zijn allebei optimistisch en wijzen erop hoe de op lood gebaseerde materialen snel verbeterden van ongeveer 3 procent in 2009 tot ongeveer 18 procent vandaag.
Ondertussen is Grätzel van mening dat de bestaande materialen hun bovenste prestatielimieten nog niet hebben bereikt. Ik denk dat 20 procent efficiëntie op korte termijn mogelijk moet zijn, zegt hij.