Antimoonoxide-bufferlaag voor enkel- en dubbel-junctie perovskiet-zonnecellen

Nieuwe manieren om meer zonlicht te vangen

Zonnepanelen naderen hun fysieke limieten, dus het winnen van zelfs een klein extra deel van het zonlicht kan schonere energie goedkoper maken. Deze studie laat zien hoe een weinig bekend materiaal, antimoonoxide, geavanceerde perovskiet–silicium zonnecellen zowel efficiënter als makkelijker te produceren op nuttige schaal kan maken.

Waarom hedendaagse tandemzonnecellen licht verspillen

Sommige van de best presterende panelen stapelen een perovskietcel bovenop een siliciumcel, waardoor elk een ander deel van het zonnespectrum absorbeert. Tussen deze lagen zitten ultradunne films die elektrische ladingen geleiden en gevoelige materialen tijdens de verwerking beschermen. Een veelgebruikt buffer­materiaal, een vorm van tinoxide die atoom voor atoom wordt afgezet, vervult deze taak goed maar reageert chemisch met de perovskietlaag. Om de perovskiet te beschermen zijn ingenieurs gedwongen een dikkere laag koolstof­materiaal genaamd fullerene aan te brengen. Die extra dikte absorbeert echter bruikbaar blauw en violet licht in plaats van het naar de actieve lagen te laten gaan, waardoor de stroom en efficiëntie van het apparaat ongemerkt worden verminderd.

Een mildere beschermlaag die meer licht doorlaat

De onderzoekers vervingen de reactieve tinoxidelayer door een film van antimoonoxide die werd aangebracht via eenvoudige thermische verdamping. Dit proces zet poedervormig materiaal zacht in damp en condenseert het als een gladde coating, waardoor de agressieve chemie die perovskieten beschadigt wordt vermeden. Omdat antimoonoxide vriendelijker is voor de onderliggende laag, kon de fullerenefilm boven de perovskiet worden uitgekleed van 15 nanometer tot slechts 5 nanometer zonder stabiliteit op te offeren. Dunnere fullerene betekent minder parasitaire absorptie in het golflengtebereik 300 tot 560 nanometer, waardoor meer kortgolvig licht door de perovskiet bovenlaag in elektriciteit kan worden omgezet.

Verborgen snelwegen voor elektrische ladingen

Met elektronenmicroscopen en gespecialiseerde elektrische sondes bekeken, bleek de antimoonoxidefilm niet uniform glasachtig te zijn. In plaats daarvan combineert hij amorfe regio’s met kleine geordende kristallen. Deze nanokristallen lijnen zich zodanig uit dat ze verticale paden voor elektronen vormen, terwijl het omliggende amorfe materiaal meer isolerend blijft. Aanvullende metingen suggereren dat defecten geassocieerd met antimoonatomen energietoestanden creëren die elektronen helpen de energiedrempel tussen lagen te passeren. Samen laten deze eigenschappen ladingen snel door de buffer bewegen in de gewenste richting, terwijl ongewenste zijwaartse lekkage wordt tegengehouden.

Van labcellen naar grotere panelen

Om aan te tonen dat antimoonoxide praktisch is, testten de onderzoekers het in zowel enkelvoudige perovskietcellen als volledige perovskiet–silicium tandems. Enkele cellen met verschillende bandkloofwaarden bereikten allemaal hoge efficiënties boven 22 procent, met een topprestatie van 23,18 procent, vergelijkbaar met state-of-the-art tinoxideapparaten gemaakt met soortgelijke methoden. Wanneer geïntegreerd in tandemcellen van één vierkante centimeter, verhoogde de nieuwe bufferlaag de vermogensconversie-efficiëntie tot 30,28 procent, voornamelijk door de stroom van de bovenste perovskietcel met ongeveer 1 milliampère per vierkante centimeter te verhogen. Cruciaal is dat de aanpak goed schaalde: een volledig ingekapseld module met een aperture-oppervlak van 64,64 vierkante centimeter bereikte 28,16 procent efficiëntie, met een onafhankelijk gecertificeerde waarde van 27,70 procent, en liet weinig degradatie zien tijdens langdurige lichtblootstelling en warmteproeven.

Wat dit betekent voor toekomstige zonnepanelen

Voor niet-specialisten is de hoofdboodschap dat een subtiele wijziging in een bijna onzichtbare laag van een zonnecel kan leiden tot merkbare verbeteringen in de hoeveelheid geoogst zonlicht, zonder de productie complexer of kwetsbaarder te maken. Antimoonoxide biedt een manier om perovskietlagen voorzichtig te beschermen terwijl het meer licht doorlaat en ladingen efficiënt transporteert, zowel in kleine testcellen als in grotere modules. Deze combinatie van hogere efficiëntie, goede stabiliteit en lagere verwerkingskosten wijst op tandemzonnepanelen die meer dan 35 procent efficiëntie zouden kunnen halen en aantrekkelijk kunnen worden voor grootschalig commercieel gebruik.

Bronvermelding: Shi, B., Sunli, Z., Liu, P. et al. Antimony oxide buffer layer for single- and double-junction perovskite-based solar cells. Nat Commun 17, 4394 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70848-8

Trefwoorden: perovskietzonnecellen, tandemzonnecellen, antimoonoxide, bufferlaag, zonne-efficiëntie