Chalcogenide perovskites BaTi(OS)3 with band gap in the optimal Shockley-Queisser range

Al een halve eeuw lang zoeken wetenschappers naar een betere manier om de energie van de zon te vangen. Hoewel traditionele zonnepanelen gemaakt van silicium ons goed hebben gediend, zoeken onderzoekers voortdurend naar materialen die goedkoper te maken zijn, gemakkelijker te produceren en in staat zijn om zonlicht efficiënter in elektriciteit om te zetten. Een veelbelovende familie van materialen voor deze taak zijn de zogenaamde perovskieten. Dit zijn kristallen met een specifieke, herhalende structuur die zo afgestemd kunnen worden dat ze licht zeer effectief absorberen. De meest bekende perovskieten die vandaag de dag worden gebruikt, bevatten echter lood, een giftig metaal dat gezondheidsrisico's en milieuproblemen met zich meebrengt, en ze gaan vaak uit elkaar bij blootstelling aan vocht of hitte. Om dit op te lossen, verkennen wetenschappers een ander soort perovskiet gemaakt van elementen die overvloedig aanwezig en niet-toxisch zijn, waarbij ze specifiek zoeken naar verbindingen die zuurstof mengen met zwavel. Het doel is om een materiaal te vinden dat stabiel, veilig en met precies het juiste vermogen om licht te absorberen, de volgende generatie zonnecellen kan voeden.

In een recente studie hebben onderzoekers van de Autonome Universiteit van Zacatecas in Mexico geprobeerd een van deze nieuwe materialen te creëren en te testen, een kristal genaamd barium-titanium-oxysulfide. Ze begonnen met een algemeen, stabiel poeder bekend als barium-titaniumoxide en onderwierpen dit aan een behandeling met hoge temperatuur in een speciale oven. In plaats van alleen het poeder te verhitten, introduceerden ze een damp van koolstofdisulfide, een chemische stof die dient als een bron van zwavel. Door het mengsel te verhitten tot drie verschillende temperaturen — 600, 700 en 800 graden Celsius — probeerden ze enkele van de zuurstofatomen in het kristal te vervangen door zwavelatomen. De onderzoekers wilden zien hoe het veranderen van de hitte de interne structuur van het materiaal en het vermogen om licht te absorberen zou veranderen, in de hoop het perfecte evenwicht te vinden voor toepassingen in zonne-energie.

De resultaten toonden aan dat temperatuur de sleutel was tot het beheersen van de samenstelling van het materiaal. Naarmate de hitte toenam, groeide de hoeveelheid zwavel in het uiteindelijke kristal aanzienlijk. Bij de laagste temperatuur van 600 graden Celsius bevatte het materiaal ongeveer 14,6 procent zwavel per massa. Toen de temperatuur werd verhoogd naar 700 graden, steeg het zwavelgehalte naar 18,2 procent, en bij de hoogste temperatuur van 800 graden bereikte het 20,2 procent. Deze verschuiving was niet alleen een kwestie van meer zwavel toevoegen; het veranderde fundamenteel de vorm van het kristal zelf. Het startmateriaal had een tetragonale structuur, een specifieke geometrische rangschikking van atomen. Naarmate er meer zwavel de plaats innam van zuurstof, transformeerde het kristal langzaam in een hexagonale structuur, een andere geometrische vorm die stabieler is voor dit type verbinding. De monsters die bij de hoogste temperaturen waren behandeld, waren het meest succesvol en vertoonden een zuivere, goed geordende hexagonale structuur zonder sporen van de oorspronkelijke vorm.

Naast het veranderen van de vorm, verbeterde de hittebehandeling de kwaliteit van de kristallen. De onderzoekers maten de grootte van de minuscule individuele kristallen, ook wel kristallieten genoemd, en ontdekten dat deze groter werden naarmate de temperatuur toenam. Het monster gemaakt bij 600 graden had kleinere, minder georganiseerde kristallen, terwijl het exemplaar bij 800 graden grotere, meer perfect gevormde kristallen had. Dit suggereert dat hogere hitte helpt om de atomen netter te ordenen, waardoor interne spanning wordt verminderd en een sterker, meer uniform materiaal ontstaat. Het team analyseerde ook de chemische bindingen binnen het materiaal met behulp van lichttechnieken en bevestigde dat de zwavel- en zuurstofatomen succesvol in het kristalrooster waren geïntegreerd, waardoor de specifieke moleculaire bindingen die zij zochten, werden gevormd.

De meest cruciale ontdekking betrof echter hoe het materiaal met licht interageert. Voor een zonnecel om efficiënt te werken, moet het materiaal waar het van gemaakt is een "bandgap" hebben, wat de specifieke hoeveelheid energie is die nodig is om een elektron los te slaan en een elektrische stroom te creëren. Als deze kloof te breed is, mist het materiaal een groot deel van de zonne-energie; als hij te smal is, verspilt het energie als warmte. Het ideale bereik voor zonnecellen is een nauwe marge tussen 1,1 en 1,7 elektronvolt. De onderzoekers ontdekten dat ze door simpelweg de temperatuur en het zwavelgehalte te verhogen, deze bandgap nauwkeurig konden afstemmen. Het materiaal gemaakt bij 600 graden had een bandgap van 1,53 elektronvolt. Terwijl ze de hitte verhoogden naar 700 en vervolgens 800 graden, kromp de bandgap naar 1,51 en uiteindelijk naar 1,47 elektronvolt. Deze laatste waarde bevindt zich midden in het optimale bereik voor zonne-energieconversie.

Deze studie demonstreert dat het mogelijk is om een nieuw, niet-toxisch zonne-energie-materiaal te ontwerpen door de temperatuur tijdens de synthese zorgvuldig te controleren. De onderzoekers bewezen dat ze een gangbaar oxide konden transformeren in een zwavelrijke perovskiet met een kristalstructuur en lichtabsorberende eigenschappen die zeer geschikt zijn voor zonnecellen. Hoewel het materiaal nog geen afgewerkt product is dat klaar is voor een fabrieksvloer, biedt het werk een duidelijk stappenplan voor het creëren van deze kristallen. Door aan te tonen dat hogere temperaturen leiden tot meer zwavel, een betere kristalorde en een bandgap die perfect is afgestemd op het opvangen van zonlicht, biedt de studie een levensvatbaar pad voor de ontwikkeling van de volgende generatie schone, efficiënte en veilige zonne-energietechnologie.