Waarom perovskietzonnecellen zo absurd efficiënt zijn

Perovskietzonnecellen halen inmiddels rendementen die kunnen wedijveren met silicium. Toch begreep niemand goed waarom ze zo uitzonderlijk goed presteren. Nu denken onderzoekers dat ze het mechanisme eindelijk begrijpen.

De meeste zonnepanelen op onze daken zijn gemaakt met silicium. Het is een materiaal dat al sinds de jaren vijftig wordt gebruikt om zonlicht in stroom om te zetten. Siliciumcellen zijn betrouwbaar en kunnen ruim 25 jaar mee. Maar er is een probleem: de productie ervan vergt veel energie. Je hebt hoge temperaturen en zuivere grondstoffen nodig.

Een van de meest veelbelovende alternatieven zijn cellen op basis van perovskiet. Dat is een klasse van kristallijne materialen die gemaakt worden uit een soort vloeibare oplossing. Dat maakt de productie in theorie veel goedkoper. Ook is er minder energie nodig dan bij siliciumcellen. Perovskietcellen zijn bovendien flexibel en licht, waardoor ze ook gebruikt kunnen worden op gebogen oppervlaktes en zelfs op kleding.

Ook qua rendement doen perovskieten inmiddels niet meer onder voor silicium. De beste perovskietcellen in het lab halen nu 27 procent. Tien jaar geleden was dat nog maar 12 procent. Dat is vergelijkbaar met de beste panelen van silicium. In combinatie met silicium, in zogeheten tandemcellen, is het zelfs mogelijk om 35 procent of meer te halen.

Maar er is een reden waarom perovskietpanelen niet wijdverspreid zijn. Perovskieten zijn vooralsnog een stuk minder duurzaam. Ze zijn gevoelig voor vocht, warmte en UV-licht en daardoor degraderen ze sneller. Bovendien bevatten de meest efficiënte varianten lood en dat is mogelijk slecht nieuws voor het milieu. Wetenschappers zijn druk in de weer om deze problemen op te lossen. De verwachting is dat perovskieten binnen enkele jaren op commerciële schaal beschikbaar worden, vooral als tandempartner bovenop bestaande siliciumcellen.

Waarom werken ze zo goed?

Dat perovskieten zo goed presteren als traditionele zonnecellen, is eigenlijk vreemd. Wanneer zonlicht een materiaal raakt, worden elektronen losgeslagen die stroom kunnen opleveren. Maar die vrije elektronen hebben een beperkte houdbaarheidsdatum: ze worden al snel weer ’teruggevangen’ door het materiaal tijdens een proces dat recombinatie heet. Hoe langer je dat kunt uitstellen, hoe meer stroom je uit het zonlicht kunt halen.

En dat is precies wat perovskieten uitzonderlijk goed doen. De losse ladingen in deze materialen blijven ongewoon lang intact en kunnen grote afstanden afleggen voordat ze verdwijnen. Tegelijkertijd weten wetenschappers ook dat de allereerste stap in het proces (het loskomen van een elektron uit zijn gebonden toestand) in perovskieten juist heel snel verloopt. Dat lijkt tegenstrijdig: hoe kunnen ladingen zo lang overleven als ze zo snel ontstaan en in theorie net zo snel weer zouden moeten verdwijnen?

Het antwoord: onzichtbare muren in het kristal

Een team van fysici van het Institute of Science and Technology Austria (ISTA) en King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) heeft een antwoord op deze vraag. De onderzoekers hebben gekeken naar kristallen van methylammoniumloodbromide. Dat is een veelgebruikte perovskiet die bij kamertemperatuur normaal gesproken een perfect symmetrisch, kubisch kristalrooster zou moeten hebben.

Maar perfect bleek het helemaal niet te zijn. Toen de onderzoekers gepolariseerd licht door de kristallen schoten, ontdekten ze dat het licht op onverwachte manieren werd afgebogen. Dat kan alleen als het kristal niet overal dezelfde structuur heeft. Nadat ze een techniek gebruikten om het patroon zichtbaar te maken, bleek het kristal te zijn opgedeeld in microscopisch kleine domeinen, elk met een net iets andere interne spanning.

Op de grens tussen twee van zulke gebiedjes, de zogenoemde domeinwand, verandert de spanning abrupt. En op die overgang, zo laten de onderzoekers zien, ontstaat door een natuurkundig verschijnsel dat flexo-elektriciteit heet een lokaal elektrisch veld. Het materiaal heeft op die grens als het ware zijn eigen ingebouwde mini-batterijtje.

Elektronen en gaten aan weerszijden van de muur

Dat lokale elektrische veld duwt de positieve en negatieve ladingen naar tegenovergestelde kanten van de domeinwand. Elektronen belanden aan de ene kant, hun tegenhangers (in de fysica ‘gaten’ genoemd) aan de andere. En omdat ze nu ruimtelijk gescheiden zijn, kunnen ze niet meer makkelijk recombineren. Nu dit mechanisme bekend is, zou het in theorie mogelijk moeten zijn om de efficiëntie van perovskietcellen verder te verbeteren, zo stellen de onderzoekers.

We schreven vaker over dit onderwerp, lees bijvoorbeeld ook Zonnecellen van de toekomst kunnen volledig worden gerecycled: ‘Efficiëntie van meer dan 99%’ en Waaruit bouw je zonnepanelen op de maan? Uit maanstof natuurlijk!. Of lees dit artikel: AI slurpt nu al evenveel energie als Nederland tijdens piekuren en het watergebruik is nog gekker.

Uitgelezen? Luister ook eens naar de Scientias Podcast: