Het gebruik van zeldzame aardmetalen om de beperkingen van zonnecellen te overwinnen
Perovskiet-zonnecellen hebben voordelen ten opzichte van de huidige zonneceltechnologie. Ze hebben de potentie om efficiënter te zijn, zijn licht van gewicht en kosten minder dan andere varianten. In een perovskiet-zonnecel bevindt de laag perovskiet zich tussen een transparante elektrode aan de voorkant en een reflecterende elektrode aan de achterkant van de cel. Elektrodetransport- en gattransportlagen worden tussen de kathode- en anode-interfaces geplaatst, waardoor ladingsverzameling bij de elektroden wordt vergemakkelijkt. Er zijn vier classificaties van perovskiet-zonnecellen op basis van de morfologische structuur en de laagvolgorde van de ladingstransportlaag: regelmatige vlakke, omgekeerde vlakke, regelmatige mesoporieuze en omgekeerde mesoporieuze structuren. De technologie kent echter verschillende nadelen. Licht, vocht en zuurstof kunnen degradatie veroorzaken, de absorptie kan verstoord zijn en er zijn problemen met niet-stralingsafhankelijke ladingsrecombinatie. Perovskieten kunnen corroderen door vloeibare elektrolyten, wat leidt tot stabiliteitsproblemen. Om hun praktische toepassingen te realiseren, moeten de energieomzettingsefficiëntie en operationele stabiliteit worden verbeterd. Recente technologische ontwikkelingen hebben echter geleid tot perovskiet-zonnecellen met een rendement van 25,5%, wat betekent dat ze niet ver achterlopen op conventionele silicium-zonnecellen. Om dit doel te bereiken, zijn zeldzame aardmetalen onderzocht voor toepassingen in perovskiet-zonnecellen. Ze bezitten fotofysische eigenschappen die de problemen oplossen. Het gebruik ervan in perovskiet-zonnecellen zal hun eigenschappen verbeteren, waardoor ze geschikter worden voor grootschalige implementatie van schone-energieoplossingen. Hoe zeldzame aardelementen perovskiet-zonnecellen helpen Zeldzame aardmetalen bezitten veel gunstige eigenschappen die kunnen worden gebruikt om de werking van deze nieuwe generatie zonnecellen te verbeteren. Ten eerste zijn de oxidatie- en reductiepotentialen in zeldzame aardmetalen omkeerbaar, waardoor de oxidatie en reductie van het doelmateriaal zelf worden verminderd. Daarnaast kan de dunnefilmvorming worden gereguleerd door de toevoeging van deze elementen, door ze te koppelen aan zowel perovskieten als ladingstransportmetaaloxiden. Bovendien kunnen de fasestructuur en opto-elektronische eigenschappen worden aangepast door ze substitutief in het kristalrooster in te bedden. Passivering van defecten kan succesvol worden bereikt door ze interstitieel in het doelmateriaal in te bedden, hetzij aan de korrelgrenzen, hetzij op het oppervlak van het materiaal. Bovendien kunnen infrarode en ultraviolette fotonen worden omgezet in perovskiet-responsief zichtbaar licht dankzij de aanwezigheid van talrijke energetische overgangsbanen in de zeldzame aardionen. De voordelen hiervan zijn tweeledig: het voorkomt schade aan de perovskieten door licht met hoge intensiteit en vergroot het spectrale responsbereik van het materiaal. Het gebruik van zeldzame aardmetalen verbetert de stabiliteit en efficiëntie van perovskiet-zonnecellen aanzienlijk. Het wijzigen van de morfologie van dunne films Zoals eerder vermeld, kunnen zeldzame aardmetalen de morfologie van dunne films bestaande uit metaaloxiden modificeren. Het is goed gedocumenteerd dat de morfologie van de onderliggende ladingstransportlaag de morfologie van de perovskietlaag en het contact ervan met de ladingstransportlaag beïnvloedt. Doping met zeldzame aardmetalen voorkomt bijvoorbeeld de aggregatie van SnO2-nanodeeltjes, die structurele defecten kunnen veroorzaken, en vermindert ook de vorming van grote NiOx-kristallen, waardoor een uniforme en compacte kristallaag ontstaat. Zo kunnen dunne films van deze stoffen zonder defecten worden bereikt met doping met zeldzame aardmetalen. Bovendien speelt de scaffoldlaag in perovskietcellen met een mesoporeuze structuur een belangrijke rol in de contacten tussen de perovskiet- en ladingtransportlagen in de zonnecellen. De nanodeeltjes in deze structuren kunnen morfologische defecten en talrijke korrelgrenzen vertonen. Dit leidt tot ongunstige en ernstige niet-stralingsgerelateerde ladingsrecombinatie. Porievulling is ook een probleem. Doping met zeldzame-aarde-ionen reguleert de groei van de scaffold en vermindert defecten, waardoor uitgelijnde en uniforme nanostructuren ontstaan. Door verbeteringen aan te brengen in de morfologische structuur van perovskiet en ladingstransportlagen, kunnen zeldzame aardionen de algehele prestatie en stabiliteit van perovskiet-zonnecellen verbeteren, waardoor ze geschikter worden voor grootschalige commerciële toepassingen. Het belang van perovskiet-zonnecellen kan niet worden onderschat. Ze bieden superieure energieopwekkingscapaciteit tegen veel lagere kosten dan de huidige siliciumzonnecellen op de markt. De studie heeft aangetoond dat het doteren van perovskiet met zeldzame-aarde-ionen de eigenschappen ervan verbetert, wat leidt tot een hogere efficiëntie en stabiliteit. Dit betekent dat perovskiet-zonnecellen met verbeterde prestaties een stap dichter bij de realiteit zijn.
Plaatsingstijd: 4 juli 2022 