Persbericht
Perovskiet presteert beter onder druk
Perovskiet, een veelbelovend materiaal voor zonnecellen, kun je veel stabieler
en daarmee efficiënter maken door slechts één ion te vervangen. Onderzoekers
van AMOLF lieten op onverwachte wijze zien hoe dat kan: druk blijkt een
belangrijke rol te spelen. Ze publiceren hun bevindingen in het vaktijdschrift
Cell Reports Physical Science op 15 juli.
Zonnecellen van een combinatie van silicium en perovskiet - met name de variant
met gemengde halides zoals jood en broom - zijn potentieel efficiënter en
goedkoper dan de traditionele siliciumzonnecellen. Zo zetten ze een veel groter
deel van het zonlicht om in elektriciteit. Maar perovskieten vallen uiteen
onder invloed van licht en zijn zodoende nog niet bruikbaar in de praktijk. Het
vervangen van het (postitief geladen) kation in de structuur helpt.
Onderzoekers van AMOLF hebben nu laten zien dat dat komt omdat de structuur
daarmee in elkaar gedrukt wordt, net alsof je er veel druk op uitoefent.
Chemische intuïtie
Een perovskiet bestaat uit een loodion omringd door halides, bijvoorbeeld jood
en broom. Binnenin de holle structuur die dit vormt bevindt zich een kation
zoals methylammonium. Het probleem is dat er bij het beschijnen met licht
gebiedjes ontstaan in het materiaal waar vooral joodionen zitten en andere met
voornamelijk broomionen. Het voordeel van het jood-broom mengsel in de
perovskieten verdwijnt dan: een groot deel van het lichtspectrum wordt in
hitte omgezet in plaats van elektriciteit.
Eline Hutter, chemicus van origine en tot dit jaar onderzoeker bij AMOLF, dacht
dat de spontane scheiding van de halides wel eens voorkomen zou kunnen worden
door het materiaal onder hoge druk te zetten. “Ik wist toen nog niet precies
waarom. Noem het chemische intuïtie.”
Uitdagende experimenten
Gelukkig beschikt de Hybrid Solar Cells groep bij AMOLF over een apparaat dat
goed van pas komt: een zogeheten Transient Absorption Spectrometer (TAS) die
onder zeer hoge druk de elektronische eigenschappen kan meten van dit soort
materialen. “Deze drukcel is uniek in de wereld,” zegt groepsleider Bruno
Ehrler. “Maar ik was aanvankelijk sceptisch over Eline's idee, ook omdat de
experimenten die we zouden moeten doen te uitdagend leken.”
In samenwerking met collega Loreta Muscarella lukt het Eline Hutter om met dit
apparaat te meten wat er gebeurt met het materiaal na beschijnen met licht.
“Als er geen druk op het materiaal staat zien we de scheiding van broom en
jood. Onder 3000 bar druk zie je duidelijk dat er geen scheiding meer
plaatsvindt.”
Praktische oplossing
Dit mooie resultaat bevestigt Hutters hypothese dat het vrije volume in het
materiaal, en daarmee de druk, een cruciale rol speelt bij de scheiding van de
halides. Maar het is onpraktisch om een zonnecel te maken die onder zo'n hoge
druk staat. Daar blijkt echter een zeer praktische oplossing voor te zijn, legt
Hutter uit. “Wanneer je het kation in de holle ruimtes van het perovskiet
vervangt door een kleiner kation zoals cesium, vindt er zogeheten chemische
contractie plaats. De hele structuur krimpt van binnenuit in elkaar als aarde
die indroogt en samentrekt. Het effect is precies hetzelfde als het onder hoge
druk zetten van het materiaal.”
Hutter en collega's toonden vervolgens met de TAS aan dat er ook in dit
chemisch samengedrukte perovskiet geen scheiding meer plaatsvindt van jood en
broom. Daarmee bewijzen ze dat een vergeten aspect van de theorie belangrijk
is: het volume van het materiaal is eerder nooit meegenomen in de berekeningen,
zegt Hutter. “Het mooie van dit onderzoek vind ik de link tussen de externe en
interne druk.”
Stabiliteit verzekerd
Om perovskieten stabiel te maken is dit een essentiële ontdekking, zegt ook
Ehrler. “De focus heeft altijd gelegen op de kinetiek: het vertragen van de
beweging van de ionen, zodat ze langzamer zouden ontmengen. Wij laten nu zien
dat het verhogen van de druk juist de thermodynamica verandert: de ionen
bewegen nog even snel, maar het is energetisch niet meer gunstig als jood en
broom ontmengen. Dat gebeurt dan ook niet meer.”
Bijschrift figuur:
Segregatie van bromide en jodide in perovskieten resulteert in een inhomogeen
energielandschap, weergegeven als bergen en valleien. Onder hoge druk blijven
de bromide en jodide gemengd, waardoor de perovskieten hun gunstige
eigenschappen voor zonnecellen behouden. Image credit: THISillustrations.com
Noot voor de redactie
Contact
Bruno Ehrler
E-mail: b.ehrler@xxxxxxxx <mailto:b.ehrler@xxxxxxxx>
Referentie
E.M. Hutter, L.A. Muscarella, F. Wittmann, J. Versluis, L. McGovern, H.J.
Bakker, Y.W. Woo, Y.K. Jung, A. Walsh, B. Ehrler, Thermodynamic Stabilization
of Mixed-Halide Perovskites Against Phase Segregation, July 15, (2020),
https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2020.100120
Erny Lammers | Communicatie | AMOLF <http://www.amolf.nl/> & Advanced Research
Center for Nanolithography (ARCNL <http://www.arcnl.nl/> )| Postbus 41883 -
1009 DB Amsterdam | Science Park 104 - 1098 XG Amsterdam | t: +31 (0)20 754
7408 |e.lammers@xxxxxxxx <mailto:e.lammers@xxxxxxxx>
Aanwezig: maandag, dinsdag, donderdag, vrijdag
Volg AMOLF op: Twitter | LinkedIn | YouTube
<http://www.youtube.com/user/fominstituteamolf>
Volg ARCNL op: Twitter
Attachment:
Fig. persbericht perovskieten.png
Description: PNG image
