Numerical Study of Formamidinium Lead Iodide Perovskite Solar Cells using Solar Cell Capacitance Simulator (SCAPS-1D) Software

Zonne-energie is lang het domein geweest van rigide siliciumpanelen, maar een nieuwe generatie licht oogstende technologie herschrijft de regels. Dit zijn perovskiet-zonnecellen, een klasse apparaten gemaakt van een specifieke kristalstructuur die kan worden gegroeid tot dunne, flexibele films. In tegen tegenstelling tot hun siliciumneven, die hoge hitte en dure machines vereisen voor de productie, kunnen deze nieuwe cellen worden gemaakt met eenvoudige chemische oplossingen, wat een pad biedt naar goedkopere en veelzijdiger vermogen. Echter, om deze cellen een betrouwbaar onderdeel van ons energienet te laten worden, moeten ze niet alleen efficiënt zijn in het omzetten van zonlicht in elektriciteit, maar ook stabiel genoeg zijn om decennia lang mee te gaan zonder te degraderen. Een grote hindernis is geweest bij de materialen die de door licht gegenereerde elektrische ladingen transporteren; veel van de best presterende materialen zijn organische verbindingen die afbreken onder invloed van hitte of vocht, wat de levensduur van het apparaat beperkt.

In een recente studie gebruikte een team onderzoekers een krachtige computersimulatietool om te verkennen hoe men een perovskiet-zonnecel kan bouwen die zowel hoog efficiënt als gebouwd om lang mee te gaan. In plaats van te vertrouwen op fragiele organische materialen, ontwierpen zij een apparaat met uitsluitend anorganische, of minerale, lagen om elektriciteit te transporteren. Door virtueel een zonnecel met een specifieke architectuur te construeren en duizenden variaties te testen, ontdekten zij hoe ze de dikte van elke laag en de kwaliteit van de materialen konden afstemmen om een theoretische efficiëntie van 25,81 procent te bereiken. Hun werk suggereert dat het door dure, instabiele componenten te vervangen door robuuste, goedkope mineralen mogelijk is om zonnecellen te creëren die niet alleen krachtig, maar ook duurzaam genoeg zijn voor echt wereldgebruik.

De onderzoekers richtten hun aandacht op een specifiek type perovskietmateriaal dat bekend staat als formamidinium-loodjodide. Dit materiaal wordt geprezen om zijn vermogen om licht effectief te absorberen en zijn thermische stabiliteit, waardoor het een sterke kandidaat is voor het vervangen van de minder stabiele versies die in eerdere experimenten werden gebruikt. Om de stroom van elektriciteit binnen de cel te geleiden, koos het team twee anorganische materialen: tinoxide voor de laag die elektronen verplaatst en koperjodide voor de laag die de positieve ladingen, of gaten, verplaatst. Ze bouwden een virtueel model van de zonnecel, laag voor laag, beginnend met een transparante voorste elektrode, gevolgd door de elektronentransportlaag, de perovskiet-absorber, de gatentransportlaag, en tot slot een zilveren achtercontact. Dit digitale model stelde hen in staat om experimenten uit te voeren die moeilijk, kostbaar of tijdrovend zouden zijn om in een fysiek laboratorium uit te voeren.

Een centraal deel van hun onderzoek betrof het begrijpen van hoe defecten binnen de materialen de prestaties beïnvloeden. In de echte wereld zijn kristallen zelden perfect; ze bevatten kleine imperfecties waar atomen ontbreken of verkeerd geplaatst zijn. Deze defecten fungeren als vallen die de elektrische ladingen vangen, waardoor ze verdwijnen voordat ze als vermogen kunnen worden verzameld. De onderzoekers simuleerden hoe het aantal van deze defecten, zowel binnen de hoofdabsorptielaag als op de grens waar de lagen elkaar ontmoeten, de output van de cel veranderde. Ze ontdekten dat hoewel de cel een klein aantal imperfecties kon tolereren, de aanwezigheid van te veel defecten, met name bij de interface tussen de elektronentransportlaag en de absorber, een scherpe daling in efficiëntie veroorzaakte. Wanneer de defectdichtheid bij deze cruciale verbinding hoog was, stortte het vermogen van de cel om energie op te wekken in, wat het belang van zuivere interfaces in een werkend apparaat benadrukte.

Het team paste ook systematisch de fysieke afmetingen van het apparaat aan om het "sweet spot" voor prestaties te vinden. Ze varieerden de dikte van de elektronentransportlaag en de hoofdabsorberlaag, waarbij ze alles testten van zeer dunne films tot veel dikkere films. Hun simulaties onthulden dat een dikte van 300 nanometer voor de elektronentransportlaag en 500 nanometer voor de absorber de beste resultaten opleverde. Als de absorber te dun was, kon deze niet genoeg zonlicht opvangen om een sterke stroom te generen. Als deze te dik was, nam de elektrische weerstand toe en recombineerden de ladingen met elkaar voordat ze de elektroden bereikten, waardoor de energie verloren ging. Op dezelfde wijze testten ze hoe het apparaat zich zou gedragen onder verschillende temperaturen, waarbij ze vonden dat naarmate de hitte toenam, de prestaties van de cel afnamen, een veelvoorkomende uitdaging voor veel zonnetechnologieën.

Door de geoptimaliseerde parameters te combineren, construeerden de onderzoekers een virtuele zonnecel die uitzonderlijk goed presteerde. Onder standaard zonlichtcondities en bij een gematigde temperatuur bereikte hun beste ontwerp een energieconversie-efficiëntie van 25,81 procent. Dit getal vertegenwoordigt het percentage zonne-energie dat succesvol wordt omgezet in elektriciteit. Het apparaat produceerde ook een hoge spanning en een sterke stroom, wat aangeeft dat de gekozen anorganische materialen in staat zijn om ladingen efficiënt te verplaatsen zonder de verliezen die gewoon zijn bij organische alternatieven. De studie suggereert dat deze specifieke combinatie van materialen en dimensies een stabiele omgeving creëert waarin de perovskietlaag haar volledige potentieel kan benutten.

De betekenis van dit werk ligt in de demonstratie dat hoge prestaties geen dure of instabiele materialen vereisen. Door de traditionele organische transportlagen te vervangen door anorganische zoals tinoxide en koperjodide, lieten de onderzoekers een pad zien naar zonnecellen die niet alleen efficiënt, maar ook inherent stabieler zijn tegen hitte en omgevingsstress. Hoewel deze resultaten via computersimulatie zijn behaald en nog niet fysiek in een lab zijn gebouwd en getest, bieden de bevindingen een duidelijk blauwdruk voor toekomstige experimenten. De studie bevestigt dat met de juiste laagdiktes en minimale defecten, een volledig anorganische perovskiet-zonnecel de beste efficiënties kan evenaren die momenteel in het veld worden gezien, wat een veelbelovende route biedt naar een meer duurzame en kosteneffectieve toekomst voor zonne-energie.