Hoog product van open-kringspanning en vulfactor in perovskietzonnecellen mogelijk gemaakt door ferroelectrische heterojunctiemodulatie

Waarom slimere zonnecellen ertoe doen

Zonnepanelen zijn inmiddels een vertrouwd beeld op daken en in velden, maar de technologie erachter ontwikkelt zich nog steeds snel. Een vooraanstaande nieuwkomer, de perovskietzonnecel, heeft in het afgelopen decennium een sprong in efficiëntie gemaakt en kan helpen zonne-energie goedkoper en breder beschikbaar te maken. Toch houden kleine energieverliezen binnen deze cellen ze ervan hun volledige potentieel te bereiken. Deze studie toont een nieuwe manier om de actieve lagen van perovskietcellen te herschikken zodat elektriciteit gemakkelijker stroomt en minder energie wordt verspild, waardoor de prestaties heel dicht bij de theoretische limiet voor dit type materiaal komen.

Het meeste halen uit elke lichtstraal

Elke zonnecel werkt door inkomend zonlicht om te zetten in gescheiden elektrische ladingsdragers die als stroom kunnen worden afgenomen. Twee belangrijke grootheden beschrijven hoe goed dit gebeurt: de open-kringspanning, die aangeeft hoeveel “duw” elke lading heeft, en de vulfactor, die weerspiegelt hoe efficiënt die duw in bruikbare vermogen wordt omgezet. In de beste perovskietoestellen van vandaag worden beide waarden geremd door interne gebreken. Kleine defecten in de lichtabsorberende film en bij de interfaces dienen als vallen waar ladingen weer samenkomen, waardoor energie als warmte in plaats van elektriciteit verloren gaat. Tegelijkertijd is het interne elektrische veld dat de ladingen naar de contacten zou moeten leiden vaak zwakker dan ideaal, vooral in het populaire “inverted” apparaatontwerp. De uitdaging is om deze ingebouwde aandrijfkracht te vergroten en tegelijk de vallen die recombinatie veroorzaken te verwijderen.

Een dunne hulplaag toevoegen

De onderzoekers pakten dit probleem aan door extreem dunne lagen van speciale “ferroelectrische” perovskieten in te voegen in de hoofd lichtabsorberende perovskiet. Ferroelectrische materialen dragen kleine ingebouwde elektrische dipolen die zich kunnen uitlijnen tot sterke interne velden. Hier mengde het team tweedimensionale ferroelectrische perovskietstructuren — bekend als Dion–Jacobson- en Ruddlesden–Popper-fasen — in een standaard driedimensionale perovskietfilm. Het resultaat is een ferroelectricum-gebaseerde heterojunctie, waarin iets verschillende perovskiett types naast elkaar zitten binnen dezelfde laag. Deze ingebedde regio’s vervullen een dubbele rol: ze versterken het interne elektrische veld dat ladingen scheidt, en ze fungeren als zaadjes die sturen hoe de rest van de film kristalliseert tijdens de vorming.

Het kristallandschap opruimen

Om te zien hoe dit nieuwe ontwerp het materiaal beïnvloedt, volgde het team de groei van de perovskietlaag in realtime met lichtgebaseerde probes. Ze ontdekten dat kleine ferroelectrische kristallen helpen te bepalen wanneer en waar de hoofdperovskiet nucleëert en groeit. In plaats van zich gehaast en ongelijkmatig te vormen, ontwikkelt de film zich geleidelijker en uniformer. Beeldvorming en elektrische tests bevestigden dat de afgewerkte films grotere, regelmatiger korrels hebben, minder achtergebleven loodjodide-pockets en een veel lagere defectdichtheid waar ladingen verloren zouden kunnen gaan. De gemiddelde levensduur van ladingen voordat ze recombineren nam aanzienlijk toe, wat aantoont dat de vallen effectief werden onderdrukt.

Sterkere interne aandrijving voor ladingen

Naast schonere kristallen herschikken de ferroelectrische toevoegingen het elektrische landschap van het toestel. Metingen van het oppervlakspotentiaal toonden een meer uniforme elektrische omgeving over de film, terwijl energieniveaumetingen lieten zien dat de absorberende laag nu beter uitlijnt met het gaatjes-ontvangercontact. Deze uitlijning, samen met polarisatie van de ferroelectrische regio’s, vergroot de ingebouwde potentiaal — de interne “spanning” die helpt elektronen en gaten naar tegenovergestelde zijden te trekken. Als gevolg daarvan bewegen ladingen sneller en is de kans dat ze door defecten gevangen of weer samengevoegd worden kleiner. Metingen op apparaatniveau bevestigden deze winst: zowel de open-kringspanning als de vulfactor verbeterden, en ongewenste recombinatie onder licht nam af.

Op weg naar ideale zonneprestaties

Wanneer deze effecten worden gecombineerd in complete zonnecellen, zijn de voordelen duidelijk. De beste toestellen bereikten een energieomzettingsefficiëntie van 26,62%, met een onafhankelijk gecertificeerde waarde van 26,07%. Nog veelzeggender is dat het product van spanning en vulfactor ongeveer 90% bereikte van de fundamentele Shockley–Queisser-limiet voor de bandopening van dit materiaal, wat betekent dat er nog zeer weinig ruimte overblijft voor verdere verliezen in die twee belangrijke parameters. De toestellen behielden ook meer dan 85% van hun initiële efficiëntie na 500 uur continue werking, wat wijst op goede stabiliteit. Simpel gezegd: het zorgvuldig inweven van ferroelectrische regio’s in perovskietzonnecellen geeft ladingen een duidelijker, sterker pad om te volgen en vermindert de plekken waar ze vast kunnen lopen, waardoor praktische zonnemodules een stap dichter bij hun theoretische optimum komen.

Bronvermelding: Wu, N., Ni, H., Niu, T. et al. High Open-Circuit Voltage–Fill factor product in perovskite solar cells enabled by ferroelectric heterojunction modulation. Nat Commun 17, 2897 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69391-3

Trefwoorden: perovskietzonnecellen, ferroelectrische materialen, kristaldefecten, rendement van zonnecellen, dunne film photovoltaïsche cellen