Comparative and comprehensive study on structural and optical properties of Methylammonium Lead Iodide and Methylammonium Bismuth Iodide

De zoektocht naar schonere energie heeft lang de focus gelegd op materialen die zonlicht kunnen opvangen en met opmerkelijke efficiëntie in elektriciteit kunnen omzetten. Een van de meest veelbelovende kandidaten zijn een familie kristallen bekend als perovskieten, die het veld van zonne-energie recentelijk hebben gerevolutioneerd. Deze materialen zijn opgebouwd uit een specifieke rangschikking van atomen die hen in staat stelt licht intens te absorberen en elektrische ladingen snel te verplaatsen. Jarenlang heeft de meest effectieve versie van deze kristallen vertrouwd op lood, een element dat hen uitzonderlijk goed laat presteren maar ook een ernstig probleem introduceert: lood is giftig. Het vormt aanzienlijke risico's voor de menselijke gezondheid en het milieu, omdat het het zenuwstelsel en organen aantast, en het kan zich ophopen in de bodem en het water. Dit creëert een moeilijk dilemma voor wetenschappers: hoe behoud je de hoge prestaties van deze zonnestroommaterialen terwijl je het gevaarlijke element verwijdert dat ze gevaarlijk maakt.

In een studie gepubliceerd in augustus 2026, pakten onderzoekers Hasan Abbas en Zishan H. Khan van Jamia Millia Islamia in India deze uitdaging aan door de standaard loodhoudende kristal te vergelijken met een nieuw, loodvrij alternatief. Ze zetten zich in om twee specifieke materialen in het laboratorium te maken: de bekende methylammoniumloodiode, die lood bevat, en een nieuwe verbinding genaamd methylammoniumbismutjodide, die het lood vervangt door bismuth (bismut), een veel veiliger element. Het team mengde niet alleen chemicaliën; ze kweekten zorgvuldig dunne films van deze materialen op glasplaten en onderwierpen deze vervolgens aan een reeks tests om te zien hoe ze waren opgebouwd en hoe ze met licht interacteerden. Hun doel was om te begrijken of de veiligere bismutversie de structurele kwaliteit en het lichtabsorberend vermogen van de loodversie kon evenaren, of dat het tekort zou schieten op manieren die het gebruik in echte zonnepanelen zou verhinderen.

De onderzoekers begonnen met het synthetiseren van beide materialen met behulp van een vloeibare oplosingsmethode, een proces dat inhoudt dat de grondstoffen in een oplosmiddel worden opgelost en vervolgens worden gedroogd om een vaste film te vormen. Zodra de films waren gemaakt, onderzochten ze deze onder krachtige microscopen om te zien hoe ze er op een minuscule schaal uitzagen. De beelden toonden aan dat de loodvrije bismutfilm uitzonderlijk glad en dicht was, zonder de kleine gaatjes of openingen die soms in de loodhoudende versie voorkomen. De bismutkristallen vormden ook iets grotere structuren dan hun loodhoudende tegenhangers. Wanneer het team naar de interne rangschikking van de atomen keek met behulp van röntgendiffractie, een techniek die de kristalstructuur onthult, ontdekten ze dat het bismutmateriaal feitelijk meer geordend en uniform was dan het loodmateriaal. Deze hogere mate van orde suggereerde dat de loodvrije film van zeer hoge kwaliteit was, potentieel zelfs beter wat betre betreft de fysieke structuur dan de traditionele loodversie.

Vervolgens richtte het team de aandacht op hoe deze materialen met licht omgaan, wat de meest kritieke factor is voor een zonnecel. Ze wierpen licht over een breed scala aan kleuren, van ultraviolet tot infrarood, om te zien hoeveel er werd geabsorbeerd en hoeveel er doorheen ging. De resultaten lieten zien dat beide materialen uitstekend zijn in het opvangen van licht, maar dat ze dit op iets verschillende manieren doen. Het loodhoudende materiaal absorbeerde licht het sterkst bij een golflengte van 760 nanometer, terwijl het bismutmateriaal piekte bij 530 nanometer. De loodversie was in staat om een breder deel van het zichtbare spectrum te absorberen, wat een cruciaal voordeel is voor het opwekken van elektriciteit. De onderzoekers berekenden ook hoe licht door de materialen reisde en vonden dat de loodvrije film meer uniform was, met minder imperfecties die licht zouden verstrooien. Deze uniformiteit, gecombineerd met het gladde oppervlak dat in de microscoopbeelden te zien was, gaf aan dat het bismutmateriaal een zeer consistente interne structuur had.

Misschien wel de meest significante bevinding betrof de energiegap, of de specifieke hoeveelheid energie die nodig is om een elektron vrij te maken zodat het een stroom kan dragen. Het loodhoudende materiaal had een energiegap van 1,65 elektronvolt, een waarde die zeer dicht bij het theoretische ideaal ligt voor een enkelvoudige laag zonnecel. Deze bijna perfecte overeenkomst verklaart waarom loodhoudende perovskieten zo succesvol zijn geweest in het omzetten van zonlicht in vermogen. In contrast hiermee had het loodvrije bismutmateriaal een bredere energiegap van 2,23 elektronvolt. Hoewel deze waarde nog steeds nuttig is, betekent dit dat het materiaal een ander deel van het zonne-spectrum absorbeert en minder efficiënt is in het opvangen van het volledige bereik van het zonlicht vergeleken met de loodversie. De studie keek ook naar hoe de materialen licht uitzenden nadat ze het geabsorbeerd hebben, een proces dat fotoluminescentie wordt genoemd. Het loodmateriaal gloeide bij een golflengte van 760 nanometer, terwijl het bismutmateriaal gloeide bij 590 nanometer, wat de verschillen in hun energiegaps bevestigde.

Uiteindelijk schetst de studie een beeld van twee materialen met duidelijke sterke punten. De loodvrije bismutperovskiet bleek op veel gebieden structureel superieur, waarbij het een gladdere, meer uniforme film vormde met minder defecten dan de loodversie. Het is ook vrij van de toxiciteit die lood zo gevaarlijk maakt. De loodhoudende variant behoudt echter een cruciaal voordeel: de energiegap ligt dichter bij het ideaal voor zonne-energie, waardoor het meer energie uit zonlicht kan oogsten. De onderzoekers concludeerden dat hoewel de loodvrije optie veelbelovend is en betere morfologische eigenschappen biedt, het nog verdere optimalisatie nodig heeft om de efficiëntie van zijn loodhoudende rivaal te evenaren. Het werk suggereert dat de weg vooruit bestaat uit het verfijnen van deze veiligere materialen, bijvoorbeeld door hun samenstelling aan te passen, om hun prestaties dichter bij de hoge standaarden te brengen die door de giftige maar zeer efficiënte loodkristallen zijn gesteld.