Nieuw type zonnecellen met fosforlinten doen het opeens stukken beter

Onderzoekers hebben fosforhoudende ‘nanolinten’ verwerkt in nieuwe types zonnecellen, waardoor hun efficiëntie drastisch is verbeterd. Fosfor-nanoribbons (PNR’s) zijn lintvormige strengen van fosfor, die, vergelijkbaar met grafeen, zijn gemaakt van één-atoom-dikke lagen van atomen. PNR’s werden voor het eerst geproduceerd in 2019. Honderden theoretische studies hebben voorspeld hoe hun eigenschappen allerlei apparaten zouden kunnen verbeteren, waaronder batterijen, biomedische sensoren, en kwantumcomputers.

Geen van deze voorspelde opwindende eigenschappen is tot nu toe echter aangetoond in daadwerkelijke apparaten. Nu heeft een team onder leiding van onderzoekers van het Imperial College London en het University College London voor het eerst PNR’s gebruikt om de efficiëntie van een apparaat – een nieuw soort zonnecel – aanzienlijk te verbeteren, wat aantoont dat het “wondermateriaal” zijn hype wel eens zou kunnen waarmaken.

Het onderzoek is vandaag gepubliceerd in de Journal of the American Chemical Society, aldus het Imperial College London in een persbericht.

Eerste experimentele bewijs

Hoofdonderzoeker Dr. Thomas Macdonald van de afdeling Chemie en het Centrum voor Bewerkbare Elektronica van Imperial, zei: “Honderden theoretische studies hebben de opwindende eigenschappen van PNR’s voorspeld. Die zijn alleen nergens aangetoond, of hebben prestaties van apparaten kunnen verbeteren.

“We zijn daarom verheugd dat we niet alleen het eerste experimentele bewijs kunnen leveren van PNR’s als een veelbelovende route voor krachtige zonnecellen. Het is ook mooi dat we de veelzijdigheid van dit nieuwe nanomateriaal kunnen laten zien voor gebruik in opto-elektronische apparaten van de volgende generatie.”

Het team integreerde de PNR’s in zonnecellen gemaakt van perovskieten. Dat is een nieuwe klasse van materialen die veelbelovend zijn omdat wetenschappers de manier waarop ze met licht interageren gemakkelijk kunnen aanpassen aan een reeks van toepassingen. In tegenstelling tot de traditionele onbuigzame zonnecellen op basis van silicium, kunnen perovskietzonnecellen worden gemaakt van vloeibare oplossingen. Daardoor kunnen ze tegen lage kosten worden geprint tot dunne, flexibele films.

Elektrisch transport

Door PNR’s toe te voegen kon het team perovskietzonnecellen produceren met een efficiëntie van meer dan 21 procent, vergelijkbaar met traditionele siliciumzonnecellen. Zij konden ook in het experiment verifiëren hoe PNR’s in staat zijn deze verbeterde efficiëntie te bereiken. Ze toonden aan dat PNR’s de ‘gatenmobiliteit’ verbeteren. Gaten’ zijn de tegengestelde partner van elektronen in elektrisch transport, dus het verbeteren van hun mobiliteit (een maat voor de snelheid waarmee ze door het materiaal bewegen) helpt elektrische stroom efficiënter te verplaatsen tussen de lagen van het apparaat.

Opto-elektronische apparaten

Deze experimentele validatie van de kracht van PNR’s zal onderzoekers volgens het team helpen nieuwe ontwerpregels te ontwikkelen voor opto-elektronische apparaten – apparaten die licht uitzenden of detecteren. Dr. Macdonald zei: “Onze resultaten tonen aan dat de voorspelde functionele elektronische eigenschappen van PNR’s zich inderdaad vertalen in verbeterde prestaties in toepassingen. Dit onderstreept het werkelijke belang en nut van dit pas ontdekte nanomateriaal en stelt de norm voor op PNR gebaseerde opto-elektronische apparaten.”

Verdere studies met PNR’s in apparaten zullen de onderzoekers in staat stellen om meer mechanismen te ontdekken voor hoe ze de prestaties kunnen verbeteren. Het team zal ook onderzoeken hoe het modificeren van het oppervlak van de nanoribbons de unieke elektronische eigenschappen van de materialen kan verbeteren.

Ook interessant: Commerciële toepassing van wegen met zonnecellen binnen handbereik