Nu de prijs van siliciumpanelen is blijven dalen, hebben we een punt bereikt waarop de bouw van een zonnepark een kleine en steeds dalende kostprijs heeft. Dit betekent dat het de moeite waard kan zijn om meer uit te geven aan een paneel dat meer binnenkomend zonlicht omzet in elektriciteit, omdat u hierdoor meer kunt halen uit de prijs die u betaalt om elk paneel te installeren. Maar siliciumpanelen lopen al tegen fysieke efficiëntielimieten aan. Wat betekent dat onze beste kans op een grote toename van de paneelefficiëntie zou kunnen zijn om silicium te combineren met extra fotovoltaïsch materiaal.
Momenteel ligt de meeste focus op het koppelen van silicium aan een klasse materialen die perovskieten worden genoemd. Perovskietkristallen kunnen op silicium worden gestapeld, waardoor een paneel ontstaat met twee materialen die verschillende delen van het spectrum absorberen. Bovendien kunnen perovskieten worden gemaakt van relatief goedkope grondstoffen. Helaas is het moeilijk geweest om perovskieten te maken die zowel zeer efficiënt zijn als tientallen jaren meegaan, net zoals het siliciumdeel dat zal doen.
Veel laboratoria proberen daar echter verandering in te brengen. En twee van hen meldden deze week enige vooruitgang, waaronder een perovskiet/siliciumsysteem dat een efficiëntie van 34 procent behaalde.
Verhoging van de stabiliteit van perovskiet
Perovskieten zijn een hele klasse materialen die dezelfde kristalstructuur vormen. Er is dus veel flexibiliteit als het gaat om de gebruikte grondstoffen. Op perovskiet gebaseerde fotovoltaïsche apparaten worden meestal gevormd door zogenaamde oplossingsverwerking, waarbij alle grondstoffen worden opgelost in een vloeistof die vervolgens op de toekomstige plaat wordt aangebracht, waardoor perovskietkristallen zich over het gehele oppervlak kunnen vormen. Dat is geweldig, behalve dat dit proces de neiging heeft meerdere kristallen met verschillende oriëntaties op één oppervlak te vormen, waardoor de prestaties afnemen.
Wat de problemen nog groter maakt, is dat perovskieten ook niet bijzonder stabiel zijn. Ze zijn meestal gemaakt van een combinatie van positief en negatief geladen ionen, en deze moeten in de juiste verhoudingen aanwezig zijn om een perovskiet te vormen. Sommige van deze individuele ionen kunnen echter in de loop van de tijd diffunderen, waardoor de kristalstructuur wordt verstoord. Het oogsten van zonne-energie, waarbij materiaal betrokken is dat veel energie absorbeert, verergert de situatie door het materiaal te verwarmen, waardoor de diffusiesnelheid toeneemt.
Gecombineerd verminderen deze factoren de efficiëntie van perovskietzonnecellen en betekenen dat geen enkele bijna zo lang meegaat als siliciumwafels. Nieuwe artikelen behandelen deze kwesties vanuit twee zeer verschillende richtingen.
Het eerste van de nieuwe artikelen gaat over stabiliteit, waarbij gebruik wordt gemaakt van de flexibiliteit van perovskiet om verschillende ionen op te nemen. De onderzoekers begonnen met het gebruik van een techniek genaamd dichtheidsfunctionaaltheorie om te modelleren hoe verschillende moleculen zich zouden gedragen wanneer ze op een plaats worden geplaatst die normaal wordt ingenomen door een positief geladen ion. En door het modelleren werden ze opgewonden met een molecuul genaamd tetrahydrotriazinium, dat een ring van zes atomen heeft, bestaande uit afwisselende koolstof- en stikstofatomen. Door de juiste plaatsing van stikstof rond de ring kan deze regelmatige interacties aangaan met naburige atomen in de kristalstructuur.
Tetrahydrotriazinium heeft een neutrale lading wanneer slechts twee stikstofatomen waterstofbruggen hebben. Maar meestal trekt het een geladen waterstof (in feite een proton) uit de oplossing, waardoor het een netto positieve lading krijgt. Hierdoor blijft elk van de drie stikstofatomen gebonden aan een waterstofatoom en kan de positieve lading onder hen worden verdeeld. Dit maakt deze interactie ongelooflijk sterk, wat betekent dat het zeer onwaarschijnlijk is dat de waterstofatomen wegvliegen, wat ook de kristalstructuur stabiliseert.
Dit zou perovskieten dus veel, veel stabieler moeten maken. Het enige probleem? Tetrahydrotriazinium heeft de neiging te reageren met veel andere chemicaliën, dus het is moeilijk om als grondstof te voorzien voor een perovskietvormende oplossing.