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 ECN, verenigd in het collectief Solliance, 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.

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.”

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.