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.”
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
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
