Contactloos laserpolijsten en reconstructie richting efficiënte all-perovskiet tandemzonnecellen

Zonnepanelen efficiënter laten werken

Zonnepanelen worden goedkoper en komen steeds meer voor, maar de gebruikelijke ontwerpen zetten nog veel van de energie van de zon om in warmte. Een van de meest veelbelovende manieren om meer elektriciteit uit zonlicht te halen is het stapelen van twee zonnecellen bovenop elkaar, elk afgestemd op een ander deel van het zonnespectrum. Deze studie laat zien hoe een nieuw soort “contactloos polijsten” met laserlicht een belangrijke zwakte in zulke gestapelde perovskietzonnecellen kan verhelpen en hun rendement naar bijna 30% kan brengen — een niveau dat aantrekkelijk is voor toekomstige dak-, nuts- en zelfs draagbare energie-toepassingen.

Waarom gestapelde perovskietcellen moeite hebben

Perovskieten zijn kristalachtige materialen die zonlicht zeer efficiënt kunnen absorberen en gemakkelijk uit oplossing te maken zijn. Om de rendementlimieten van enkele cellen te overtreffen, stapelen onderzoekers een perovskiet met brede bandkloof bovenop een met smalle bandkloof, waardoor een volledig perovskiet tandem ontstaat. De onderste, smalle-bandkloofcel moet het rode en nabij-infrarode licht opvangen dat door de bovenste cel valt, en diens prestaties bepalen grotendeels de plafondwaarde van het tandem. Helaas ontstaan lood–tin smalle-bandklooflagen meestal met een ruw, defectrijk oppervlak. Tin hoopt zich op en oxideert nabij het oppervlak, jodium raakt verminderd, en het hobbelige oppervlak maakt slechte verbinding met de elektronenafvoerlaag. Samen zorgen deze problemen ervoor dat ladingsdragers recombineren vóórdat ze geoogst kunnen worden, waardoor spanning en stroom verloren gaan.

Vlak maken met licht in plaats van schuurpapier

Conventionele methoden om perovskietoppervlakken te verbeteren vertrouwen op vloeibare chemicaliën of fysiek contact, die beide de kwetsbare lagen kunnen beschadigen en moeilijk te beheersen zijn over grote oppervlakken. In dit werk ontwikkelden de auteurs een picoseconde ultraviolet laserpolijstmethode die de film nooit aanraakt. Ultrakorte laserpulsen schrapen slechts de defecte bovenste enkele tientallen nanometers weg, maken het oppervlak vlakker en minimaliseren tegelijk de opwarming van het onderliggende kristal. Microscopen laten zien dat de gemiddelde ruwheid ongeveer drie keer afneemt, en chemische analyses tonen aan dat het overtollige tin en het ontbrekende jodium aan het oppervlak grotendeels zijn verwijderd. De polijstdiepte is afstelbaar met laservermogen en scansnelheid, en het team demonstreert subnanometerprecisie en uitstekende herhaalbaarheid over vele productiebatches.

Het herbouwen van een gezondere oppervlaktelaag

Laserpolijsten doet meer dan alleen bobbels weghalen; het laat een perovskietoppervlak achter met veel lege “A‑plaatsen” in het kristalraamwerk — plekken waar normaal grote organische of cesiumionen zitten. De onderzoekers behandelen dit vers blootgelegde oppervlak met een oplossing die guanidiniumbromide bevat; de grote guanidiniumionen kunnen sterke waterstofbruggen vormen en remmen de ionbeweging. Deze ionen vullen selectief de vacante plaatsen nabij het oppervlak en reconstrueren het tot een guanidinium–cesium perovskietlaag die beter geordend en minder gespannen is dan voorheen. Röntgen- en elektronmicroscopie tonen dat vervormingen in het kristalrooster verdwijnen en dat de bovenste paar nanometers licht uitzetten, in overeenstemming met de grotere omvang van guanidinium. Optische tests laten helderdere fotoluminescentie en langere dragerlevensduur zien, wat wijst op minder defecten en meer uniforme filmkwaliteit over grote gebieden.

Schonere oppervlakken omzetten in hoger rendement

Wanneer het team volledige apparaten bouwt, stapelen de voordelen zich op. Enkele smalle-bandkloofcellen gemaakt met de gepolijste en gereconstrueerde oppervlakken vertonen hogere spanning, stroom en vulfactor dan onbehandelde referenties, en tonen ook veel minder hysteres e—een teken dat mobiele ionen en instabiele interfaces zijn getemd. De beste lood–tin cel bereikt een energieomzettingsrendement van 24,07%, met onafhankelijk gecertificeerde 23,47%, via een schaalbaar proces dat niet afhankelijk is van antisolvent quenching. Het stapelen van deze verbeterde ondercel onder een brede-bandkloogovenperovskiet levert een volledig perovskiet tandem op met 29,80% efficiëntie en sterke overeenstemming tussen gemeten stroom en spectraal gerespondeerde respons. Grotere apparaten en mini-modules gefabriceerd met dezelfde aanpak behouden hoge rendementen, en ingekapselde tandems houden ongeveer 80% van hun initiële prestatie na ruwweg 650 uur continue werking.

Wat dit betekent voor toekomstige zonne-energie

Door een contactloze laser te gebruiken om defect materiaal precies te verwijderen en vervolgens de bovenste paar nanometers opnieuw op te bouwen met een robuustere perovskietsamenstelling, pakt dit werk een van de belangrijkste knelpunten van geavanceerde perovskiet-tandems aan: een ruw, instabiel interface dat lading verspilt. Het resultaat is vlakker filmoppervlak, schonere ladingafvoer, verminderde ionmigratie en recordrendementen voor antisolvent‑vrije all-perovskiet tandems. Omdat de methode aanpasbaar, snel en compatibel is met verschillende bandkloofwaarden en apparaatstructuren, biedt het een breed inzetbaar hulpmiddel om perovskietzonnentechnologie dichter bij haar theoretische grenzen en richting grootschalige toepassing te brengen.

Bronvermelding: Ma, T., Luo, D., Ye, W. et al. Non-contact laser polishing and reconstruction towards high-efficiency all-perovskite tandem solar cells. Nat Commun 17, 4193 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-71017-7

Trefwoorden: perovskiet tandemzonnecellen, laseroppervlaktepolijsten, interface-engineering, hoogrendement photovoltaïsche systemen, dunnefilm zonne-energie technologie