Studie beschrijft een nieuwe all-perovskiet tandem zonnecel die het potentieel heeft om een goedkope en efficiëntere manier te bieden om de energie van de zon te benutten om elektrische stroom op te wekken
Onze afhankelijkheid van niet-hernieuwbare bronnen van energie-niveau fossiele brandstoffen genoemd, zoals kolen, olie en gas, heeft een enorme negatieve impact gehad op mens en milieu. Verbranding van fossiele brandstoffen draagt bij aan het broeikaseffect en veroorzaakt opwarming van de aarde, vernietigt habitats, veroorzaakt lucht-, water- en landvervuiling en tast de volksgezondheid aan. Er is een dringende behoefte aan het bouwen van duurzame technologie die kan helpen om: energie de wereld met schone energie. Zonne energie technologie is zo'n methode die het vermogen heeft om het licht van de zon – de meest overvloedige hernieuwbare energiebron – te benutten en om te zetten in elektrische energie of stroom. De gunstige factoren van zonne-energie in termen van voordelen voor mens en milieu hebben een sleutelrol gespeeld bij het bevorderen van het gebruik van zonne-energie.
Silicium is het meest gebruikte materiaal om te maken zonne- cellen in zonnepanelen die vandaag op de markt verkrijgbaar zijn. Het fotovoltaïsche proces van zonnecellen kan zonlicht omzetten in elektriciteit zonder extra brandstof te gebruiken. Het ontwerp en de efficiëntie van siliciumzonnepanelen zijn de afgelopen decennia aanzienlijk verbeterd als gevolg van vooruitgang in productie en technologie. Het fotovoltaïsche rendement van een zonnecel wordt gedefinieerd als het deel van de energie dat in de vorm van zonlicht is en dat kan worden omgezet in elektriciteit. Fotovoltaïsche efficiëntie en totale kosten zijn tegenwoordig de twee belangrijkste beperkende factoren bij zonnepanelen.
Naast siliciumzonnecellen zijn er ook tandemzonnecellen waarin specifieke cellen worden gebruikt die zijn geoptimaliseerd voor elk deel van het spectrum van de zon, wat leidt tot een verhoging van het algehele rendement. Een materiaal dat perovskieten wordt genoemd, wordt beschouwd als beter dan silicium bij het absorberen van hoogenergetische blauwe fotonen uit zonlicht, dwz een ander deel van het spectrum van de zon. Perovskieten zijn polykristallijn materiaal (meestal methylammonium-loodtrihalide (CH3NH3PbX3, waarbij X jodium-, broom- of chlooratoom is). Perovskieten zijn gemakkelijk te verwerken tot zonlichtabsorberende lagen. Eerdere studies hebben silicium en perovskieten gecombineerd tot zonnecellen, dwz met siliciumcellen op de top die gele, rode en nabij-infraroodfotonen kan absorberen, samen met perovskietcellen, waardoor de energieproductie bijna wordt verdubbeld.
In een nieuwe studie gepubliceerd in Wetenschap op 3 mei hebben onderzoekers voor het eerst alle perovskieten tandem-zonnecellen ontwikkeld die een efficiëntie tot 25 procent opleveren. Dit materiaal wordt lood-tin gemengde perovskietfilm met een lage bandafstand genoemd ((FASnI3)0.6 MAPbI3)0.4; FA voor formamidinium en MA voor methylammonium). Tin heeft het nadeel dat het reageert met zuurstof uit de lucht, waardoor defecten in het kristalrooster ontstaan die de beweging van elektrische lading in de zonnecel kunnen verstoren, waardoor de efficiëntie van de cel wordt beperkt. Onderzoekers hebben een manier gevonden om te voorkomen dat tin in perovskiet reageert met zuurstof. Ze gebruikten een chemische verbinding genaamd guanidiniumthiocyanaat om de structurele en opto-elektronische eigenschappen van lood-tin gemengde perovskietfilms met een lage bandafstand aanzienlijk te verbeteren. De verbinding guanidiniumthiocyanaat bedekt perovskietkristallieten in de zonne-absorberende film, waardoor wordt voorkomen dat zuurstof naar binnen gaat om met tin te reageren. Hierdoor stijgt het rendement van de zonnecel direct van 18 naar 20 procent. Ook toen dit nieuwe materiaal werd gecombineerd met een conventioneel gebruikte hoogabsorberende perovskietlaag, nam de efficiëntie verder toe tot 25 procent.
De huidige studie beschrijft voor het eerst het ontwerp van tandemzonnecellen met behulp van alle perovskiet-dunne-films en deze technologie zou ooit silicium in zonnecellen kunnen vervangen. Het nieuwe materiaal is van hoge kwaliteit, goedkoop en de fabricage is eenvoudiger, terwijl de kosten laag zijn in vergelijking met tandemcellen van silicium en silicium-perovskieten. Perovskieten zijn door de mens gemaakt materiaal in vergelijking met silicium en op perovskieten gebaseerde zonnepanelen zijn flexibel, lichtgewicht en semi-transparant. Hoewel het huidige materiaal enige tijd nodig heeft om de efficiëntie van silicium-perovskiet-technologie te overtreffen. Desalniettemin hebben op perovskiet gebaseerde polykristallijne films het potentieel voor het ontwerpen van tandemzonnecellen die een efficiëntie tot 30 procent kunnen bieden terwijl andere factoren ongehinderd blijven. Verdere studies zijn nodig om het materiaal robuuster, stabieler en ook recycleerbaar te maken om de impact op het milieu te verminderen. De zonne-energiesector is een van de snelst groeiende en het uiteindelijke doel is om een veelbelovend alternatief voor schone energie te ontdekken.
***
{U kunt de originele onderzoekspaper lezen door op de DOI-link hieronder in de lijst met geciteerde bron(nen) te klikken}
Bron (nen)
Tong J. et al. 2019 Carrier-levensduren van> 1 μs in Sn-Pb-perovskieten maken efficiënte tandem-zonnecellen met alle perovskiet mogelijk. Wetenschap, 364 (6439). https://doi.org/10.1126/science.aav7911
