Correlated Oxide Nanocrystal Inks for Hole-Selective Contacts in n-i-p Perovskite Photovoltaics

Zonlicht is een krachtige bron, maar het efficiënt opvangen ervan vereist materialen die niet alleen licht kunnen absorberen, maar ook de elektriciteit die het opwekt naar de juiste plek kunnen leiden. In de wereld van zonnecellen wordt deze sturende rol vaak vervuld door een specifiek type materiaal dat een halfgeleider wordt genoemd. Decennialang hebben wetenschappers vertrouwd op organische verbindingen om positieve elektrische ladingen, bekend als gaten, door een zonnecel te verplaatsen. Hoewel deze organische materialen goed werken, hebben ze een aanzienlijk gebrek: ze zijn duur om te maken, vereisen vaak instabiele chemische additieven om te functioneren, en kunnen snel degraderen wanneer ze worden blootgesteld aan hitte en vocht. Dit heeft onderzoekers gedreven om naar anorganische alternatieven te kijken, specifiek metaaloxiden, die van nature robuust en goedkoop zijn. Onder deze materialen valt een materiaal genaamd nikkeloxide op als een veelbelovende kandidaat, omdat het van nature positieve ladingen geleidt zonder die instabiele additieven nodig te hebben. Echter, een grote hindernis heeft het gebruik ervan in de meest geavanceerde ontwerpen van zonnecellen verhinderd: de manier waarop het momenteel wordt gemaakt, dwingt tot verwerking in water, wat de delicate lichtabsorberende laag vernietigt waar het bovenop moet liggen.

Een team van onderzoekers aan de Universiteit van Tokio heeft dit langlopende probleem opgelost door een nieuwe methode te ontwikkelen om nikkeloxide te veranderen in een vloeibare inkt die op zonnecellen geschilderd kan worden zonder water te gebruiken. Hun werk, onlangs gepubliceerd, beschrijft hoe ze piepkleine deeltjes nikkeloxide uit een waterige mengeling hebben getransformeerd naar een niet-waterige oplossing die zijn vermogen om elektriciteit te geleiden behoudt. Door dit te doen, hebben ze het mogelijk gemaakt om dit duurzame, anorganische materiaal te gebruiken in het meest efficiënte type zonnecelarchitectuur die momenteel beschikbaar is. Het resultaat is een zonnecel die niet alleen beter presteert dan de huidige industriestandaard, maar ook veel beter standhoudt onder zware omgevingsomstandigheden, wat een pad biedt naar goedkopere en langer houdende zonne-energie.

Om te begrijpen waarom dit zo'n doorbraak is, moet men eerst kijken naar de structuur van de zonnecellen die de onderzoekers proberen te verbeteren. De meest efficiënte zonnecellen gebruiken momenteel een gelaagd ontwerp waarbij een lichtabsorberend materiaal, bekend als een perovskiet, tussen twee lagen zit die elektriciteit transporteren. In het specifieke ontwerp dat de onderzoekers doelden, is de lichtabsorberende laag ingesloten tussen een onderste laag die negatieve ladingen verplaatst en een bovenste laag die positieve ladingen verplaatst. Jarenlang hebben wetenschappers waterige nikkeloxide-deeltjes succesvol gebruikt als deze bovenste laag in een ander, minder efficiënt ontwerp. Echter, wanneer zij probeerden deze waterige laag bovenop het perovskiet in het meer efficiënte ontwerp te plaatsen, zou het water het perovskiet beschadigen, waardoor de cel werd geruïneerd. De uitdaging was om de nikkeloxide-deeltjes uit water naar een oplosmiddel te verplaatsen dat het perovskiet niet zou schaden, zonder hun vermogen om elektriciteit te geleiden te verliezen.

De onderzoekers begonnen met het bestuderen van de fundamentele aard van deze nikkeloxide-deeltjes om te begrijpen hoe ze met hun omgeving interageren. Ze ontdekten dat in water het oppervlak van deze piekleine deeltjes bedekt is met waterstofatomen die fungeren als kleine magneten, die watermoleculen aantrekken en de deeltjes gescheiden houden. Om ze uit water te verplaatsen, bedachten het team een slim tweestaps-proces. Eerst introduceerden ze een chemische stof die tijdelijk aan deze oppervlaktemagneten kon hechten, wat effectief een brug sloeg tussen de waterminnende deeltjes en een nieuw, olieachtig oplosmiddel. Deze stap stelde hen in staat de deeltjes uit het water te trekken en in een staat te brengen waarin ze gewassen en voorbereid konden worden voor de volgende fase.

In de tweede stap vervingen de onderzoekers de tijdelijke brug door een permanente coating gemaakt van specifieke organische moleculen. Deze moleculen hebben een kop die zich stevig aan het nikkeloxide-deeltje hecht en een lange staart die van het nieuwe, niet-waterige oplosmiddel houdt. De onderzoekers selecteerden zorgvuldig de vorm en de chemische samenstelling van deze staarten om ervoor te zorgen dat de deeltjes niet samenklonteren en dat de elektriciteit nog steeds gemakkelijk kan stromen tussen hen. Ze ontdekten dat de juiste combinatie van moleculen een stabiele, geleidende inkt creëerde die als een dunne, uniforme film kon worden uitgespreid. Deze film fungeerde als een perfecte snelweg voor positieve ladingen, waardoor ze vrij konden bewegen zonder vast te lopen of geblokkeerd te worden.

Toen de onderzoekers zonnecellen bouwden met deze nieuwe nikkeloxide-inkt, waren de resultaten onmiddellijk en indrukwekkend. De apparaten die zij creëerden, waren in staat om zonlicht om te zetten in elektriciteit met een efficiëntie van 25,8 procent. Dit is een aanzienlijke prestatie omdat het de prestaties van de huidige beste zonnecellen die het dure organische materiaal Spiro-OMeTAD gebruiken, overtreft. Bovendien presteerden de nieuwe cellen niet alleen aanvankelijk goed; ze bleken ook veel duurzamer te zijn. Wanneer ze werden getest onder omstandigheden van hoge hitte en vochtigheid, die normaal gesproken ervoor zorgen dat zonnecellen snel degraderen, behielden de nikkeloxide-apparaten meer dan 90 procent van hun vermogen na meer dan 300 uur. In contrast hiermee verloren de cellen die het traditionele organische materiaal gebruikten een veel groter deel van hun efficiëntie in dezelfde tijdspanne.

Het succes van dit werk ligt in de nauwkeurige controle die de onderzoekers uitoefenden over de chemie van de inkt. Door precies te begrijpen hoe de deeltjes interageren met de coatingmoleculen, waren zij in staat om de energieniveaus zo af te stemmen dat de stroom van elektriciteit vloeiend en efficiënt was. Ze toonden ook aan dat de nieuwe inkt direct op de delicate perovskietlaag kon worden aangebracht zonder enige schade te veroorzaken, een prestatie die voorheen als onmogelijk werd beschouwd met dit type materiaal. Deze prestatie suggereert dat de toekomst van hoogefficiënte zonnecellen misschien niet afhangt van complexe, dure organische chemicaliën, maar eerder van eenvoudige, robuuste anorganische materialen die gemakkelijk en goedkoop kunnen worden verwerkt.

De implicaties van dit onderzoek reiken verder dan slechts één enkele zonnecel. Door te bewijzen dat nikkeloxide kan worden verwerkt tot een stabiele, niet-waterige inkt, heeft het team de deur geopend voor een nieuwe klasse materialen die in een breed scala aan elektronische apparaten kunnen worden gebruikt. De methode die zij hebben ontwikkeld is veelzijdig en zou potentieel aangepast kunnen worden voor andere metaaloxiden, wat een algemene oplossing biedt voor het probleem van het verwerken van anorganische materialen in delicate elektronische omgevingen. Terwijl de wereld op zoek is naar meer duurzame en efficiënte energieoplossingen, is het vermogen om hoogwaardige zonnecellen te maken met duurzame, goedkope materialen een cruciale stap voorwaarts. Dit werk biedt een duidelijke en praktische route naar het bereiken van dat doel, waardoor de zonneceltechnologie dichter bij een toekomst komt waar schone energie zowel krachtig als toegankelijk is.