Samen met verschillende toonaangevende bedrijven (o.a. Agfa NV en ENGIE Laborelec) zal het team onderzoeken wat perovskieten meer bepaald kunnen doen voor röntgenapparatuur en lasers, alsook voor zonnecellen. Voor röntgendetectoren zou het gebruik van perovskieten kunnen leiden tot een betere beeldkwaliteit, wat zich kan vertalen in aanzienlijk lagere blootstellingsniveaus voor medische of veiligheidsonderzoeken van mensen. Voor lasers is de nieuwe materiaalontwikkeling gericht op het verhogen van de materiaalversterkingscoëfficiënt tot 1000cm-1 of meer, wat resulteert in goedkopere projectoren met een betere resolutie. Voor zonnecellen zullen perovskietmaterialen met verbeterde vochtigheids- en thermische stabiliteit worden ontwikkeld.
IMO-IMOMEC is een geassocieerd laboratorium van imec aan de universiteit van Hasselt dat gespecialiseerd is in materiaalonderzoek. Laurence Lutsen is een van de groepsleiders daar en tevens projectleider, met focus op materiaalontwikkeling van perovskieten. Laurence Lutsen: "Samen met mijn collega Dirk Vanderzande van de Universiteit Hasselt zijn we in oktober 2015 gestart met ons onderzoek naar perovskietmaterialen. Een jaar eerder startte imec met het onderzoek naar perovskietenzonnecellen. Imec en IMO-IMOMEC werken op een complementaire manier, met hetzelfde doel: waar imec ernaar streeft om betere perovskiet-zonnecellen te maken door interfaces en architecturen te veranderen, draagt onze groep bij aan de scheikundige aspecten van de materialen. Het samenbrengen van beide innovaties (onze meest veelbelovende nieuwe materialen en imecs nieuwe engineering trucs) is de sleutel tot succes in de ontwikkeling van perovskiet-zonnecellen.".
Met het nieuwe SBO-project PROCEED, gefinancierd door het FWO, wil de IMO-IMOMEC-onderzoeksgroep zijn perovskietonderzoek voor zonnecellen versterken en het toepassingsgebied van het veelbelovende materiaal uitbreiden naar andere industrieën. Laurence Lutsen: "Als we naast zonnecellen nieuwe toepassingen voor het materiaal zouden kunnen vinden, zou dit de interesse van de industrie kunnen stimuleren om het materiaal te commercialiseren en verder te ontwikkelen. Wij geloven dat perovskieten veelbelovende materialen zijn voor veel lichtemissie- en lichtdetectietoepassingen. In het nieuwe project zullen we onze expertise op het gebied van perovskiet gebruiken voor toepassingen waarbij de omzetting, emissie en detectie van licht een rol speelt".
De vele voordelen van perovskiet
Perovskiet is een familie van materialen die al enige tijd bekend staat om zijn intrigerende fysieke eigenschappen. Het werd reeds bestudeerd als piëzo-elektrisch materiaal, als supergeleider of om chemische processen te katalyseren.
Laurence Lutsen: "Hybride perovskieten zijn zeer flexibel, zowel in termen van samenstelling, dimensie als morfologie. Ten eerste kan de samenstelling van metaalhalogenide perovskieten variëren: als je de algemene chemische formule 'APbX3' neemt, kan X ofwel chloor, broom of jodium zijn, terwijl A staat voor verschillende mogelijke kationen zoals methylammonium, formamidimium of cesium. Ten tweede kunnen materiaalwetenschappers dankzij deze vrijheid in samenstelling, hybride perovskieten met verschillende dimensies creëren, gaande van gewone 3D-materialen tot materialen die een intrinsieke (quasi-)2D- of zelfs 0D-structuur hebben. En ten derde kunnen perovskieten worden gesynthetiseerd met veel verschillende morfologieën, zoals dunne films, enkelvoudige kristallen, microkristallen of nanokristallen.
De belangrijkste uitdaging in het perovskietonderzoek is het gebrek aan stabiliteit op lange termijn.
Hybride perovskieten zijn een zeer veelzijdig materiaal dat voor verschillende toepassingen kan worden ‘getuned’. (Merk op dat de termen 3D en 2D hier betrekking hebben op de structuur en niet op de werkelijke afmetingen van de materialen).
Perovskieten voor zonnecellen: naar 2D-perovskieten voor meer stabiliteit
Kristallijne silicium-gebaseerde technologieën domineren momenteel de PV-markt. Typische commerciële module-efficiënties zijn ongeveer 17-18%, met een recordrendement van 22,8% voor commerciële producten en een theoretische limiet van meer dan 29%. Een manier om een hoger conversie-rendement te realiseren, is door het stapelen van verschillende halfgeleidermaterialen, elk met hun specifieke bandgap, waarbij elke laag geschikt is voor een specifiek deel van het lichtspectrum.
Tandemzonnecellen die silicium- en perovskiet-zonnecellen combineren, zijn ook een optie om een hoog rendement én lage kosten te realiseren. Een perovskietzonnecel is relatief goedkoop owv. het feit dat het materiaal zelf niet duur is, alleen dunne films worden gebruikt en de procestechnologie via bedrukken/coaten relatief eenvoudig is en geen dure apparatuur vereist.Bovendien zijn perovskietzonnecellen door hun semi-transparantie, hun licht gewicht en de mogelijkheid om ze op flexibele substraten te produceren, ideaal voor BIPV (building-integrated photovoltaics). De eenvoudige verwerking maakt het mogelijk om de afmetingen en het ontwerp (kleur, transparantie) aan te passen, een belangrijke troef om architecten te overtuigen om meer zonnetechnologie in hun gebouwen te gebruiken. En omdat het rendement bij hogere temperaturen (in vergelijking met kristallijn-silicium zonnecellen) minder afneemt, kunnen ze worden geïntegreerd in isolerende beglazingen. Daarnaast kunnen perovskiet-zonnecellen worden geïntegreerd in dak, architecturaal glas, muren, tegels, gevels en dakpannen. In deze toepassingen is de oriëntatie van de zonnecellen niet ideaal, maar dat is geen probleem voor perovskiet-zonnecellen omdat ze beter reageren op diffuse lichtomstandigheden dan silicium-zonnecellen.
Toekomstvisie waarbij perovskiet-zonnecellen in de ramen van een gebouw gebruikt worden, zogenaamde building-integrated PV.
Laurence Lutsen: "De beperkte stabiliteit van perovskiet-zonnecellen is momenteel nog een probleem en staat het praktisch gebruik van dit type zonnecellen in de weg. Bij IMO-IMOMEC proberen we robuustere hybride perovskieten te maken door de samenstelling zo aan te passen dat het materiaal beter bestand is tegen vocht.
Perovskieten voor röntgen: dikke en grote lagen
Jarenlang was de meest gebruikte technologie voor röntgenbeeldvorming gebaseerd op fotografische film. In deze film-gebaseerde detectoren werden röntgenstralen omgezet in licht dmv. zogenaamde versterkingsschermen. Het licht creëerde een latent beeld op de film dat na ontwikkeling zichtbaar werd.
Tegenwoordig is dit proces vervangen door digitale technologie: het röntgenbeeld wordt gedetecteerd met een flat-panel detector. Bij indirecte digitale radiografie (DR)-detectoren worden de röntgenfoto's door een scintillator omgezet in licht, net als bij een film-gebaseerde detector. Dit licht wordt vervolgens in een fotodiode omgezet in ladingen die worden opgevangen door pixelelektroden. Bij het uitlezen van het beeld worden de ladingen via het TFT-detectiesysteem omgezet in elektische stroom. Het signaal wordt omgezet in elektronische gegevens die op hun beurt worden omgezet in een digitaal beeld van hoge kwaliteit. Bij directe DR-detectoren worden de röntgenkwanta’s direct omgezet in fotoladingen die op vergelijkbare wijze worden omgezet in een hoogwaardig digitaal beeld. De optische tussenstap in indirecte DR-detectoren veroorzaakt enige vervaging door lichtverstrooiing en reflectie in de scintillatorlaag en in de interfaces, wat leidt tot onscherpte in de beelden.
Amorf selenium (a-Se) wordt het meest gebruikt als direct omzettingsmateriaal in digitale radiografie. Voor hoog-energetische fotonen is de demping in de a-Se-laag echter zeer laag waardoor het gebruik van de a-Se-detectoren beperkt blijft tot mammografietoepassingen.
De laatste jaren zijn perovskietmaterialen op basis van hoge Z-elementen getest voor röntgendetectie om hogebeeldkwaliteits-detectoren te maken voor algemene radiografietoepassingen. Hierdoor zou een lagere stralingsdosis voor patiënten mogelijk worden. Aangezien perovskietlagen kunnen worden toegepast door middel van goedkope methoden bij lage temperaturen, zelfs op flexibele substraten, zou deze nieuwe aanpak een goedkope, lichtgewicht, robuuste, grootformaat en potentieel flexibele röntgendetector mogelijk maken. Dit zou een ruimer gebruik van röntgenscanners voor gezondheidstoepassingen (menselijk en veterinair), voor industrieel gebruik en voor beveiliging tot gevolg hebben. Industriële detectoren kunnen bijvoorbeeld worden gebruikt voor niet-destructieve kwaliteitscontrole in industriële sectoren zoals de auto-, lucht- en ruimtevaart, defensie en energieopwekking. Ook op het gebied van beveiliging is röntgenstraling een groeiende markt vanwege het geglobaliseerde verkeer en de groeiende behoefte aan het scannen van mensen en ladingen bij de grensposten.
Als uitgangspunt wordt gebruik gemaakt van commerciële perovskieten voor de PV-markt. Er zijn echter andere kenmerken nodig: Röntgendetectoren hebben enerzijds zeer dikke lagen en materialen met een hoog atoomnummer nodig. Dit laatste om een hoge röntgenstraaldemping te realiseren. Als gevolg hiervan is een hogere spanning over de laag nodig om de gegenereerde fotoladingen efficiënt op te vangen.
Laurence Lutsen: "Binnen het project PROCEED onderzoeken de partners hoe een dikke laag microkristallen perovskieten op een groot oppervlak (43 cm x 43 cm) te realiseren, en dit tegen aanvaardbare kosten. Dit vereist een procesinnovaties. En omdat we werken met dikke lagen van enkele honderden micrometers, proberen we ook alternatieve, loodvrije perovskieten te ontwikkelen".
Perovskieten voor projectoren: nanokristallen om de lasers 'op te pompen'.
Lichtbronnen voor lichtprojectoren moeten zoveel mogelijk zichtbare kleuren reproduceren, met een hoge helderheid en een minimaal stroomverbruik. Lasers zijn hiervoor de ideale kandidaten en hebben een veel betere prestatie en levensduur in vergelijking met de traditionele hogedruklampen (in het geval van projectoren).
Huidige laserprojectiesystemen gebruiken een gefocuste blauwe laser om een lichtgevend materiaal zoals YAG:Ce optisch te ‘pompen’ om de rode, groene en blauwe primaire kleuren uit een puntbron te genereren. Deze aanpak heeft een beperkte optische efficiëntie omdat de gepompte spot fungeert als een niet-directionele Lambertiaanse emitter en er een kleurenfiltering nodig is om de rode en groene primaire kleuren te genereren. Als alternatief kunnen laserprojectiesystemen ook drie verschillende lasers gebruiken om rood, groen en blauw te genereren, een dure aanpak die beperkte mogelijkheden biedt om intrinsieke problemen van laserprojectie, zoals spikkels, te elimineren.
Laurence Lutsen: "Het zou mogelijk zijn om een commerciële blauwe laser – de meest performante van de rood/groen/blauwe set – te combineren met goedkope, optisch gepompte rood en groen versterkte emissiebronnen of lasers. Perovskiet-nanokristallen kunnen worden gebruikt als groen of rood versterkingsmateriaal en deze aanpak zou de complexiteit en kosten van hoogwaardige laserprojectoren verminderen (een kostenbesparing van 30 tot 40% voor de lichtbron van de projector wordt verwacht). De instelbare bandgap en de hoge optische versterking van perovskieten zijn belangrijk in deze context."
Besluit
Omdat perovskieten zo veelzijdig zijn, kunnen ze voor vele toepassingen worden gebruikt. Tot nu toe stonden vooral zonnecellen op de agenda van ontwikkelaars en onderzoekers van perovskietmaterialen. En hoewel er nog steeds grote problemen zijn met zonnecellen op basis van perovskiet, is het de moeite waard om de chemische structuren van perovskiet ook voor andere toepassingen te onderzoeken en te ‘tunen’. IMO-IMOMEC, een geassocieerd laboratorium van imec aan de UHasselt, doet dit. Laurence Lutsen: "In Proceed ontwikkelt het consortium nieuwe 3D/2D-perovskietstructuren om het stabiliteitsprobleem in zonnecellen aan te pakken, maar ook om dikke perovskietfilms met grote afmetingen te maken voor röntgentoepassingen, en perovskiet-nanokristallen als versterkingsmateriaal voor lasers voor lichtprojectoren. In al deze gevallen belooft het gebruik van perovskieten een lagere kostprijs en betere prestaties.”
Perovskiet als materiaalplatform voor diverse toepassingen.
PROCEED is een SBO-project gefinancierd door het FWO (S002019N) met partners uit 4 Vlaamse universiteiten en 1 onderzoekscentrum:
- Imec (imec/Energyville in Genk & imec/IMO-IMOMEC in Diepenbeek): Dr. Laurence Lutsen (coördinator) en Dr. Tom Aernouts.
- KULeuven : Prof. dr. Johan Hofkens
- UGent : Prof. dr. Zeger Hens
- UHasselt : Prof. dr. Dirk Vanderzande
- UAntwerpen : Prof. dr. Sara Bals
Meer weten?
- Wilt u met Laurence Lutsen bespreken of perovskieten ook interessant zijn voor uw toepassing, vul dan dit contactformulier in.
- Wilt u een van deze technische artikels ontvangen over het onderzoek naar perovskietmateriaal voor zonnecellen: "Meerlaagse hybride perovskieten gehomogeniseerd met carbazoolderivaten: optische eigenschappen, verbeterde vochtstabiliteit en eigenschappen van zonnecellen" of "Naar 2D gelaagde hybride perovskieten met verbeterde functionaliteit: het introduceren van ladingsoverdrachtcomplexen via zelfassemblage", laat het ons weten.
