07 dec Ultradun beschermlaagje maakt perovskiet-zonnecel stukken stabieler

Toevoeging van een enkele nanometers dun laagje aluminiumoxide beschermt een zonnecel van perovskiet tegen aantasting van vocht – vooralsnog een belangrijk struikelblok naar commerciële toepassing voor dit nieuwe type zonnecel. Verrassende bijvangst bleek een verhoging van het rendement met 3 procent. Dat schrijven onderzoekers van de Technische Universiteit Eindhoven (TU/e) en onderzoeksinstituut ECN, verenigd in het collectief Solliance, vandaag in het blad Energy and Environmental Science.

Zonnecellen van perovskiet maken de afgelopen jaren een ongekend snelle ontwikkeling door. Perovskiet is een mineraal met dezelfde kristalstructuur als calcium-titanium-oxide (CaTiO3). Het rendement van dit type zonnecellen steeg in slechts enkele jaren tijd naar 22%. Een nadeel is vooralsnog de aantasting door vocht: waterdamp uit de atmosfeer reageert met de perovskiet-kristallen, waardoor het rendement na verloop van tijd sterk afneemt. Deze instabiliteit is een struikelblok op weg naar succesvolle commerciële toepassing.

Beschermd tegen vocht

Bij de nu gepubliceerde ontdekking dekken de onderzoekers de gevoelige perovskietlaag af met enkele atoomlaagjes aluminiumoxide dat als beschermend laagje dient tegen degradatie door vocht. Deze laagjes bevinden zich dus binnenin de zonnecel, tussen het perovskiet en de elektrische contactlagen. De onderzoekers kozen voor aluminiumoxide (Al2O3) omdat de vorming ervan op willekeurige oppervlakken onmiddellijk plaatsvindt. “Hoewel Al2O3 elektrisch isolerende eigenschappen heeft, kan het toch als bufferlaagje gebruikt worden tussen het halfgeleidende perovskiet en de geleidende contacten door de dikte van het laagje beperkt te houden tot één nanometer of minder”, aldus FOM-promovendus en eerste auteur Dibyashree Koushik. “Ladingsdragers kunnen dan elektrisch tunnelen door het isolatorlaagje.”

Met en zonder laagje vergeleken

Na fabricage, waarbij via atomaire laag depositie (ALD) dunne lagen met nauwkeurige compositie werden aangebracht, vergeleken de onderzoekers de stabiliteit van de cellen met identieke cellen zonder dit laagje. De complete cellen werden verder niet beschermd met vocht afsluitende verpakking. Na twee maanden blootgesteld te zijn aan vochtige lucht behielden de cellen mét het Al2O3 laagje 60-70% van hun oorspronkelijke rendement, terwijl de referentiecellen slechts 12% overhielden.

Rendement verhoogd

Het laagje bleek bovendien het rendement te verhogen van 15% naar 18%. “Dat was een extra bonus voor ons”, aldus onderzoeksleider prof.dr. Ruud Schropp (TU Eindhoven). “Dit hadden we niet verwacht en een precieze verklaring hebben we ook nog niet. Maar dat gaan we nog verder onderzoeken.” Of de laagjes ook een verhoging van het record in perovskiet-cellen zullen geven is lastig te zeggen volgens Schropp. “Die zijn heel anders opgebouwd dan de eenvoudige, opschaalbare structuur die wij hebben gekozen. Maar de stabiliteit zal er in die cellen zeer waarschijnlijk ook mee vooruit gaan.”

Breed scala

Dat het beschermende laagje aluminiumoxide zich niet aan de buitenkant bevindt, zoals andere onderzoekers vaak proberen, maakt het bovendien mogelijk een breed scala van materialen aan te brengen aan beide kanten van de zonnecel. Dit om het licht maximaal in de perovskietlaag binnen te laten dringen en om de elektrische stroom optimaal eraan te onttrekken. Schropp: “En dat alles terwijl de cellen robuuster worden in het gebruik.”

Referentie

D. Koushik, W.J.H. Verhees, Y. Kuang, S. Veenstra, D. Zhang, M.A. Verheijen, M. Creatore, and R.E.I. Schropp, High-Efficiency Humidity-Stable Planar Perovskite Solar Cells Based On Atomic Layer Architecture, Energy and Environmental Science (5 december 2016). Het onderzoek is medegefinancierd door Stichting FOM.