Zonghao Liu (l) and Yabing Qi (r) met de perovskietplak van 5×5 cm (afb: OIST)
Al een tijdje wordt de lofzang geheven over de prachtige perovskietzonnecellen, maar tot op heden waren er nog te veel problemen met dit alternatief voor siliciumcellen. Nu denken onderzoekers rond Yabing Qi de ontwikkeling zover gebracht te hebben dat de marktintroductie van de perovskietcellen voor de deur staat.Zonnecellen zijn technisch gezien prachtige producten die zonne-energie direct omzetten in voor de mens nuttige energievorm: stromende elektronen. De meeste vormen van energievoorziening nemen een omweg via het opwarmen van een potje water, waarna de resulterende stoom iets aan het draaien brengt. Erg primitief.
Momenteel worden zonnecellen al op vrij grote schaal ingezet, maar de gebruikte siliciumtechnologie maakt zonne-energie nog relatief duur. Perovskietcellen zijn verhoudingsgewijs goedkoop, maar liepen tegen wat technische problemen aan en hadden een bij siliciumcellen vergeleken vrij laag energetisch rendement.
Qi en zijn medeonderzoekers denken nu de winnende formule te hebben gevonden. Ze ontwikkelden cellen door materialen en verbindingen te gebruiken die de kristallijne structuur van het natuurlijke perovskiet dicht benaderen.
De in Japan actieve Chinese onderzoeker refereert aan de ‘gouden driehoek’ voor zonnecellen: het energetisch rendement moet hoog zijn, ze moeten goedkoop te maken zijn en een lange levensduur hebben. Siliciumcellen komen qua rendement in de buurt van 22%. Silicium is ruim op aarde voorhanden, maar het probleem zit ‘m in de hoge productiekosten voor siliciumcellen.
Jonge loot
Perovskietcellen vormen een jonge loot aan de stam der zonnecellen. In 2009 maakte Tsutomu Miyasaka en medeonderzoekers voor het eerste perovskietcellen en sindsdien is het allemaal vrij snel gegaan. Qi: “In maar negen jaar is het rendement omhoog gegaan van 3,8% naar 23,3%. Andere technologieën hebben er wel dertig jaar over gedaan zo ver te komen.” De met zijn technologie gefabriceerde cellen hebben een rendement die vergelijkbaar is met siliciumcellen, maar de prijs maakt het grote verschil uit, is zijn idee.
Om de cellen te maken brachten de onderzoekers een perovskietlaag aan op een transparante, elektrisch geleidende ondergrond. Die laag ontstond uit een vast/gasreactie van waterstofloodtrijodide (vast) met kleine chloorverontreinigingen en methaylamine (gas). De resulterende perovskietlaag was glad met een geringe diktevariëteit en een rendement van 19,1 ± 0,4%.
Een ‘dikke’ perovskietlaag van 1 µm (eenduizendste mm) zou de ‘levensduur’ van de cellen aanzienlijk verlengen, verwachtten de onderzoekers. Dat kwam ook uit. “Na 800 uur in vol bedrijf is er niets veranderd”, zegt medeonderzoeker Zonghao Liu. In het artikel hebben de onderzoekers het over 1600.
De ‘dikkere’ laag verlengde niet alleen de levensduur van de cellen, maar maakte het productieproces ook eenvoudiger (en drukte daarmee de kostprijs). “Die grotere dikte maakt de reproduceerbaarheid ook groter”, vult Liu aan. “Dat is wezenlijk voor grootschalige productie.”
1 mm2
De grote uitdaging is nu om ook industriële afmetingen te maken: van de 1 mm2 van het prototype naar afmetingen van een meter en meer. Daarbij zou de industrie kunnen helpen. Qi: “Er gaapt een grote kloof tussen industrie en onderzoek en de industrie is vaak niet in staat die alleen te overbruggen, dus moeten de onderzoekers nog een extra stap maken in hun lab om de industrie halverwege te ontmoeten.”
Zijn instituut OIST heeft daartoe de financiële middelen verschaft. De onderzoekers hebben inmiddels een plak van 5 bij 5 cm gefabriceerd met een actief oppervlak van 12 cm2. Dat is weliswaar nog te klein voor commercieel gebruik, maar een goede stap in de richting. Helaas ging met de opschaling ook het energetisch rendement omlaag van 20 naar 15%, maar Qi en de zijnen zijn optimistisch dat ze daar wel uit komen.
Bron: Alpha Galileo