Stable AgBiS2 near-infrared absorbers for thin film tandem photovoltaics

Zonlicht is een enorme, ongelijkmatige rivier van energie, die kleuren bevat die variëren van het violet dat we kunnen zien tot het onzichtbare infrarood dat onze huid verwarmt. Decennialang was de meest efficiënte manier om deze energie op te vangen het gebruik van één enkel materiaal, zoals silicium, om licht in elektriciteit om te zetten. Maar een enkel materiaal werkt als een zeef met gaten van een vaste grootte; het vangt sommige kleuren goed op, maar laat andere er gewoon doorheen glippen, waardoor hun energie als warmte verloren gaat. Om meer van de rivier te vangen, zijn wetenschappers overgestapt op het stapelen van verschillende materialen bovenop elkaar, waardoor "tandem"-zonnecellen ontstaan. Elke laag is afgestemd op het vangen van een andere strook van het zonnelichtspectrum, waarbij ze samenwerken om veel meer energie te oogsten dan een enkele laag ooit zou kunnen. De uitdaging is altijd geweest om de juiste materialen te vinden voor de onderste laag, die dun, flexibel en in staat moet zijn om de lange, onzichtbare infrarode golven op te vangen zonder te degraderen.

Een team onderzoekers aan de Universiteit van Oxford en hun medewerkers heeft nu een nieuw materiaal geïdentificeerd dat dit probleem zou kunnen oplossen, wat een pad biedt naar zonnecellen die niet alleen efficiënter, maar ook goedkoper en stabieler te maken zijn. Ze richtten zich op een verbinding genaamd zilver-bismut-sulfide, een materiaal dat veelbelovend was gebleken in zonnecellen met een enkele laag, maar dat nog nooit succesvol is gebruikt als de onderste laag in een gestapeld, tandem-apparaat. De onderzoekers ontdekten dat dit materiaal een natuurlijk voordeel heeft: het kan infrarood licht effectiever absorberen dan de huidige leidende kandidaat, een mengsel van lood en tin, en het breekt niet af wanneer het wordt blootgesteld aan lucht. Door een nieuwe manier te ontwikkelen om dikke films van dit materiaal aan te brengen, hebben zij de eerste werkende tandem-zonnecellen met zilver-bismut-sulfide aangetoond, waarmee bewezen is dat het gecombineerd kan worden met andere lagen om een zeer efficiënte, stabiele en schaalbare energiebron te creëren.

De reis naar deze ontdekking begon met een eenvoudige vraag uit de natuurkunde. In een tandem-zonnecel moet de onderste laag een specifieke "bandgap" hebben, een term die de minimale hoeveelheid energie beschrijft die een materiaal nodig heeft om licht in elektriciteit om te zetten. Als de bandgap te hoog is, negeert het materiaal het laagenergetische infrarode licht; als hij te laag is, verspilt het energie van het hoogenergetische licht. De ideale bandgap voor de onderste laag van een twee-laagse zonnecel ligt net onder één elektronvolt, en voor een drie-laagse cel is deze zelfs nog lager. De huidige standaard voor de onderste laag in geavanceerde zonnecellen is een mengsel van lood en tin. Hoewel dit mengsel kan worden afgestemd om infrarood licht te absorberen, is de bandgap ervan nog steeds iets te hoog om perfect te zijn, en de tin-component is chemisch instabiel, omdat het gevoelig is voor reacties met zuurstof en de cel ruïneert, tenzij deze in een perfect verzegelde, zuurstofvrije omgeving wordt gemaakt.

De onderzoekers richtten hun aandacht op zilver-bismut-sulfide. Dit materiaal heeft van nature een bandgap van ongeveer één elektronvolt, wat veel dichter bij de ideale waarde ligt voor een onderste laag dan het lood-tin mengsel. Het is ook gemaakt van elementen die overvloedig aanwezig en niet-toxisch zijn, en in tegenstelling tot het lood-tin mengsel is het stabiel in normale lucht. Er was echter een aanzienlijke hindernis. In eerdere experimenten werkte zilver-bismut-sulfide het beste wanneer het werd gemaakt in extreem dunne films, slechts een paar dozijn nanometer dik. Dit kwam omdat het materiaal een korte "diffusielengte" heeft, wat betekent dat zodra een lichtdeeltje een elektrische lading creëert, die lading niet ver kan reizen voordat deze verloren gaat. Voor een zonnecel om goed te werken, vooral een die ontworpen is om infrarood licht te vangen, moet de film veel dikker zijn, rond de honderd nanometer of meer, om genoeg licht te absorberen. Als de film te dik is, raken de ladingen gevangen en stopt de stroom van elektriciteit.

Om dit te overwinnen, ontwikkelden de onderzoekers een nieuwe methode om het materiaal voor te bereiden. In plaats van de film laag voor laag op te bouwen in een traag, tijdrovend proces, creëerden ze een vloeibare inkt die kleine kristallen van zilver-bismut-sulfide bevat. Vervolgens behandelden ze deze kristallen met een mengsel van chemische agentia, specif kindelijk bromide en iodide, om hun oppervlakken te reinigen en te beschermen. Deze behandeling, bekend als oplossing-fase liganduitwisseling, zorgde ervoor dat de kristallen stevig aan elkaar hechtten en elektriciteit veel beter geleidden. Het resultaat was een film die in één stap kon worden aangebracht, net zoals het uitstrijken van verf, en die tot 340 nanometer dik kon worden gemaakt zonder barsten te vertonen of het vermogen om elektriciteit te dragen te verliezen. Dit was een cruciale doorbraak, aangezien het betekende dat het materiaal eindelijk dik genoeg kon zijn om het infrarode licht te vangen waarvoor het ontworpen is.

Met deze nieuwe, dikke film in handen bouwde het team de eerste tandem-zonnecellen met zilver-bismut-sulfide. Ze creëerden twee soorten apparaten. De eerste was een "vier-terminale" tandem, waarbij twee aparte zonnecellen op elkaar werden geplaatst maar onafhankelijk van elkaar functioneerden, zoals twee aparte batterijen die in een circuit zijn verbonden. Ze koppelden een zilver-bismut-sulfide onderste cel aan een bovenste cel gemaakt van een ander materiaal genaamd perovskiet. De combinatie produceerde een efficiëntie van bijna 24 procent, een sterk resultaat dat bewees dat de twee materialen effectief samen kunnen werken. Het tweede type was een "monolithische" of "twee-terminale" tandem, waarbij de lagen werden versmolten tot een enkele, solide eenheid die als één batterij fungeerde. Dit was een veel grotere technische uitdaging, die een speciale transparante laag tussen de twee cellen vereiste om de elektriciteit tussen hen te laten stromen zonder kortsluiting te veroorzaken. Ondanks de complexiteit slaagde het team erin deze apparaten te bouwen, waarbij ze lieten zien dat de voltages van de twee lagen correct optellen, een belangrijke vereiste voor een werkende tandem-cel.

De simulaties die de onderzoekers uitvoerden voordat ze de apparaten bouwden, suggereerden dat zilver-bismut-sulfide de theoretische efficiëntie van drie-laagse zonnecellen naar bijna 48 procent zou kunnen stuwen, veel hoger dan de limiet van 36 procent van de huidige lood-tin technologie. Hoewel de apparaten die ze bouwden nog niet dat theoretische hoogtepunt hadden bereikt, bevestigden de experimentele resultaten dat het materiaal werkt en dat de nieuwe methode om het te maken levensvatbaar is. Het team testte ook de stabiliteit van hun nieuwe cellen. Ze lieten ongeverzegelde apparaten drie maanden lang in droge lucht staan. Terwijl een vergelijkbaar apparaat gemaakt met het lood-tin mengsel de meeste van zijn vermogen in slechts anderhalve dag zou hebben verloren, behielden de zilver-bismut-sulfide cellen meer dan 90 procent van hun oorspronkelijke efficiëntie. Deze duurzaamheid suggereert dat toekomstige zonnepanelen gemaakt van dit materiaal in gewone fabrieken geproduceerd kunnen worden zonder de noodzaak van dure, zuurstofvrije ruimtes, wat potentieel de kosten van zonne-energie kan verlagen.

De onderzoekers keken ook naar hoe eenvoudig het zou zijn om deze films op grote schaal te produceren. Ze vergeleken hun nieuwe één-staps methode met de oude, meer-staps methode en vonden dat de nieuwe aanpak aanzienlijk sneller en goedkoper was. Ze slaagden erin hun proces op te schalen van kleine laboratoriummonsters naar grotere panelen, waarbij ze lieten zien dat de film uniform en vrij van defecten bleef, zelfs wanneer deze werd gemaakt op een oppervlak ter grootte van een kleine tegel. Deze schaalbaarheid is essentieel om van een laboratoriumcuriositeit naar een product te gaan dat op daken kan worden geplaatst of in gebouwen kan worden geïntegreerd.

Het werk betekent niet dat het probleem volledig is opgelost. De onderzoekers merkten op dat, zelfs met hun verbeteringen, de ladingen in het zilver-bismut-sulfide nog steeds relatief snel vastlopen, wat de dikte van de film beperkt en de hoeveelheid stroom die het kan genereren. Ze identificeerden dat de volgende stap is om manieren te vinden om het materiaal nog geleidender te maken, bijvoorbeeld door de manier waarop de kristallen zijn gerangschikt te veranderen, zodat de ladingen nog verder kunnen reizen. Echter, de studie heeft een duidelijke nieuwe weg geopend. Door te bewijzen dat zilver-bismut-sulfide in dikke, stabiele en efficiënte films kan worden gemaakt, en door het succes ervan in de eerste tandem-zonnecellen aan te tonen, heeft het team de deur geopend naar een nieuwe generatie zonneceltechnologie die efficiënter, stabieler en potentieel veel goedkoper te produceren is dan wat er vandaag de dag bestaat.