News

Het mysterie van amorf perovskiet opgelost

Published on February 7, 2021
Category Nanoscale Solar Cells

AMOLF-onderzoekers Erik Garnett, Susan Rigter en collega’s zijn de eersten die onomstotelijk aantonen dat amorf perovskiet bestaat. Het materiaal kan zonnecellen van perovskiet veel efficiënter maken. Het onderzoek verschijnt op 17 februari online in het tijdschrift Advanced Functional Materials.

Perovskiet, het veelbelovende nieuwe materiaal voor zonnecellen, is van nature kristallijn, dat wil zeggen dat dat de atomen netjes geordend zijn in het materiaal. Vanuit traditionele silicium zonnecellen weten we dat het de efficiëntie van de cellen een boost kan geven als een deel van het materiaal amorf silicium is, waarin de ordening ontbreekt.
Erik Garnett (AMOLF Nanoscale Solar Cells) realiseerde zich als eerste dat amorf perovskiet wel eens dezelfde functie kan hebben. De uitdaging was vervolgens om het materiaal ook te maken en de eigenschappen te bestuderen. Garnett legt uit waarom dat lastig was: “Perovskiet bestaat uit ionen. Die organiseren zich van nature heel gemakkelijk in een kristalrooster, net als keukenzout bijvoorbeeld. Je moet een truc uithalen om te voorkomen dat zich kristallen vormen. Dat is ons gelukt. Met technieken als röntgendiffractie tonen we vervolgens ook aan dat het materiaal amorf is. Daarmee leveren we voor het eerst onomstotelijk bewijs dat amorf perovskiet bestaat.”

Azijn maakt perovskiet amorf
De truc die Garnett, eerste auteur van het artikel Susan Rigter, en hun collega’s toepasten is het variëren van de hoeveelheid methylammoniumacetaat, een van de componenten van perovskiet. Meer acetaat (het belangrijkste ingrediënt van gewoon keukenazijn) resulteert in meer amorf perovskiet, doordat het kristallisatie verhindert en ervoor zorgt dat het oplosmiddel sneller verdwijnt. “Het verraste ons dat we inderdaad amorf perovskiet konden vormen, dus we wilden het vormingsmechanisme onderzoeken,” vertelt Garnett. “We toonden aan dat zich als tussenstadium een complex vormt in de oplossing dat kristallisatie verhindert. Wanneer we daarna de oplossing verhitten om het oplosmiddel te verdampen valt het complex zo snel uit elkaar dat het geen tijd heeft om te kristalliseren.”
De methode die de onderzoekers bedachten om amorf perovskiet te maken is breed toepasbaar. Het meest onderzochte perovskiet is methylammoniumloodjodide, maar de synthese werkte ook met andere ammoniumzouten en met andere halides zoals broom in plaats van jood. Bovendien bleek dat het variëren van deze componenten een verschuiving opleverde in de zogeheten bandgap, een eigenschap van de stof die aangeeft welke kleur licht de zonnecel absorbeert en omzet in electriciteit. Met een combinatie van zoveel mogelijk materialen met verschillende bandgaps kun je dus zoveel mogelijk licht omzetten in elektriciteit. Dat levert efficiëntere zonnecellen op.

De illustratie laat zien hoe meer methylammonium acetaat (MAAc) we toevoegen, hoe minder orde in ons materiaal. Dit gaat van volledig kristallijn, naar amorf met kristallijne, felle inclusies, tot volledig amorf.

Efficiënte zonnecellen
Een amorfe laag perovskiet kan, naar analogie van silicium zonnecellen, op nog een manier helpen om de efficiëntie te verhogen, zegt Garnett. Daarbij gaat het om de zogeheten passiverende laag. Doordat er licht schijnt op een zonnecel komen elektronen los in het materiaal. Die bewegen naar het oppervlak waar ze worden afgevoerd door elektronische contacten. Zo gaat er een stroom lopen. In een kristal kunnen de elektronen vast komen te zitten op de grens van het kristal. Een passiverende laag van amorf silicium zorgt ervoor dat dat niet gebeurt, waardoor de zonnecel meer stroom levert. Die functie zou amorf perovskiet ook kunnen hebben, zodat perovskiet zonnecellen nog efficiënter worden. “We meten inderdaad meer en langere emissies van licht door het gebruik van de amorfe perovskieten als een passiverende laag, een indicatie voor een beter presterende zonnecel,” zegt Garnett.
De volgende stap in het onderzoek is daarom het maken van dit soort zonnecellen, te beginnen met een laag kristallijn perovskiet met daarop een laag amorf perovskiet. Dat is lastiger dan alleen amorf perovskiet, omdat de kristallijne laag ervoor zorgt dat zich nog makkelijker kristallen vormen. “Deze analogie met silicium vind ik het mooiste aan ons onderzoek,” zegt Garnett. “Ik denk dat dit een belangrijke doorbraak voor perovskieten is met grote mogelijkheden.”

Referentie
Susan A. Rigter, Xueying L. Quinn, Rishi Kumar, David P. Fenning, Philippe Massonnet, Q2 Shane R. Ellis, Ron M. A. Heeren, Katrine L. Svane, Aron Walsh, en Erik C. Garnett, Passivation Properties and Formation Mechanism of Amorphous Halide Perovskite Thin Films, Advanced Functional Materials (2021).