High-Throughput Imaging of Degradation-Inducing Microscopic Impurities in Perovskite Solar Cells

Zonne-energie biedt de belofte van een schonere toekomst, maar om de technologie echt te laten overheersen, moet ze duurzaam genoeg zijn om decennia lang in de zon en de hitte te overleven. Onder de meest veelbelovende nieuwe materialen voor het opvangen van zonlicht behoren perovskieten, een familie van kristallen die goedkoop geproduceerd kunnen worden en op flexibele oppervlakken geprint kunnen worden. Hoewel deze materialen al een opmerkelijke efficiëntie hebben bereikt in het omzetten van licht in elektriciteit, is hun achilleshiel de stabiliteit geweest. In de echte wereld degraderen deze dunne films vaak snel, waardoor ze hun vermogen om elektriciteit op te wekken verliezen lang voordat ze klaar zijn voor commercieel gebruik. De uitdaging voor wetenschappers is geweest om precies te begrijpen waarom ze falen. Is het het materiaal zelf, of zijn het minuscule, onzichtbare imperfecties die tijdens het productieproces zijn geïntroduceerd? Als de industrie geen manier kan vinden om deze imperfecties onmiddellijk op te sporen, blijft het opschalen van de productie van een kleine laboratoriumproef naar een enorme fabriekslijn een verre droom.

Een team onderzoekers aan de King Abdullah University of Science and Technology heeft nu een cruciaal stukje van deze puzzel ontrafeld, door te onthullen dat de stabiliteit van deze zonnecellen vaak in gevaar wordt gebracht door microscopische onzuiverheden die tijdens de fabricage zijn achtergebleven. Dit zijn geen grote scheuren of duidelijke defecten, maar eerder minuscule, onzichtbare clusters met een verkeerde chemische samenstelling die zich op het oppervlak van de film verschuilen. De onderzoekers ontdekten dat deze onzuiverheden fungeren als de startpunten voor falen. Wanneer de zonnecel wordt blootgesteld aan licht en hitte, begint het degradatieproces niet willekeurig over het hele oppervlak; in plaats daarvan ontsteekt het op de grens waar deze onzuiverheden het gezonde kristal ontmoeten. Vanuit deze kleine, verborgen zaden verspreidt de schade zich naar buiten, waardoor het omliggende materiaal uiteindelijk wordt vernietigd en het apparaat doet falen.

Om deze onzichtbare vijanden te vinden, moesten de wetenschappers ze eerst met extreme precisie in kaart brengen. Ze gebruikten een geavanceerde techniek genaamd nano-Fourier transform infraroodspectroscopie, die onderzoekers in staat stelt de chemische samenstelling van een oppervlak te zien op een schaal die kleiner is dan een enkel zandkorreltje. Door hun films te scannen, identificeerden ze twee specifieke soorten ongewenste residuen: achtergebleven loodjodide en een vreemde, hexagonale versie van het perovskietkristal zelf. Deze onzuiverheden waren chemisch verschillend van het gezonde, lichtabsorberende materiaal. Toen het team de films onderwierp aan intens licht, om een zonnige dag in de zon na te bootsen, keken ze in realtime toe hoe de schade begon. De gezonde kristallen bleven een tijdje intact, maar de gebieden rond de onzuiverheden begonnen te verpulveren. De gezonde kristallen in de buurt braken uiteindelijk uit elkaar naarmate het verval zich vanaf de onzuiverheidslocaties verspreidde, wat bevestigde dat deze kleine residuen de triggers voor de instorting waren.

De doorbraak van dit werk ligt niet alleen in het identificeren van het probleem, maar ook in het oplossen van het praktische vraagstuk van hoe je het snel kunt vinden. De hoogtechnologische methoden die gebruikt worden om de onzuiverheden te identificeren zijn ongelooflijk traag en doen er uren over om een klein gebied te scannen, wat ze onbruikbaar maakt voor een fabriek die duizenden panelen per dag moet controleren. De onderzoekers realiseerden zich dat deze onzuiverheden, hoewel chemisch verschillend, ook een andere manier hebben om licht te reflecteren dan het gezonde materiaal. Ze ontwikkelden een systeem met behulp van een standaard hogeresolutiemicroscoop die gereflecteerd licht opvangt, waardoor ze deze onzuiverheden kunnen zien als heldere vlekken tegen een donkere achtergrond. Om dit snel genoeg te maken voor industrieel gebruik, trainden ze een computerprogramma, een vorm van kunstmatige intelligentie, om deze heldere vlekken onmiddellijk te herkennen. Dit systeem kan een film scannen en de onzuiverheden tellen binnen enkele seconden, wat een duidelijk, kwantitatief overzicht geeft van hoeveel verborgen faalpuntjes aanwezig zijn voordat het apparaat zelfs maar voltooid is.

Het team testte vervolgens of deze snelle screening daadwerkelijk kon voorspellen hoe lang een zonnecel zou meegaan. Ze bouwden zonnecellen met films die verschillende aantallen van deze onzuiverheden bevatten. De apparaten gemaakt van films met een hoge dichtheid aan onzuiverheden begonnen bijna onmiddellijk te falen, met een snelle daling in prestaties binnen het eerste uur van gebruik. In contrast hiermee behielden de apparaten gemaakt van films met minder onzuiverheden hun vermogen veel langer. Dit stelde een direct verband vast: hoe meer onzuiverheden aanwezig zijn aan het begin, hoe sneller het apparaat degradeert. Bovendien ontdekten de onderzoekers dat deze degradatie werd gedreven door een combinatie van licht en hitte. Zelfs wanneer ze de films verwarmden zonder licht erop te laten schijnen, trad hetzelfde patroon van verval op bij de locaties van de onzuiverheden, wat bewees dat temperatuur alleen al voldoende is om deze faalpunten te activeren.

Dit werk biedt een vitale nieuwe tool voor de toekomst van zonne-energie. Door aan te tonen dat microscopische onzuiverheden de primaire oorzaak zijn van vroegtijdig falen, verschuift de studie de focus van kwaliteitscontrole. In plaats van te wachten tot een voltooide zonnecel faalt tijdens een langdurige test, kunnen fabrikanten nu de ruwe film inspecteren op het moment dat deze wordt gemaakt. Als de film te vol zit met deze microscopische onzuiverheden, kan deze onmiddellijk worden weggegooid of opnieuw worden verwerkt, wat tijd en middelen bespaart. Het vermogen om deze imperfecties in seconden te detecteren en te kwantificeren betekent dat het pad naar grootschalige, stabiele productie van perovskiet-zonnecellen duidelijker wordt. De onderzoekers hebben aangetoond dat door de zuiverheid van de film op microscopisch niveau te beheersen, het mogelijk is om zonnecellen te bouwen die niet alleen efficiënt zijn, maar ook robuust genoeg om de wereld jarenlang van stroom te voorzien.