Organic-inorganic halide perovskite solar cells: Material stability and potential environmental burden of a new rising star in photovoltaics

Aslihan Babayigit
Perovskiet zonnecellen: Toekomst in hernieuwbare energie?Debatten rond het thema energie krijgen steeds meer aandacht in de hedendaagse maatschappij als gevolg van de alarmerende uitputting van conventionele en niet-hernieuwbare energiebronnen zoals steenkool, aardolie en aardgas. Gekoppeld aan de parallelle aantasting van het milieu bij het ontginnen van deze energiebronnen wordt de ontwikkeling van onuitputtelijke, groene en toch nog economisch gunstige energietechnologieën alsmaar relevanter.

Organic-inorganic halide perovskite solar cells: Material stability and potential environmental burden of a new rising star in photovoltaics

Perovskiet zonnecellen: Toekomst in hernieuwbare energie?

Debatten rond het thema energie krijgen steeds meer aandacht in de hedendaagse maatschappij als gevolg van de alarmerende uitputting van conventionele en niet-hernieuwbare energiebronnen zoals steenkool, aardolie en aardgas. Gekoppeld aan de parallelle aantasting van het milieu bij het ontginnen van deze energiebronnen wordt de ontwikkeling van onuitputtelijke, groene en toch nog economisch gunstige energietechnologieën alsmaar relevanter. In dat opzicht is er in de laatste decennia bijzonder veel geïnvesteerd in de oppuntstelling van zonne-energie. De totale ingestraalde energie op het aardoppervlak afkomstig van zonlicht is namelijk enkele duizenden malen groter dan de hoeveelheid die we verbruiken. Vanuit een puur technisch perspectief zou de huidige beschikbare technologie zelfs al in staat zijn om de hele wereld van energie te voorzien. Tot op heden zijn vooral silicium zonnepanelen in trek. Ze zijn alomtegenwoordig geworden op de daken van vele nieuwe maar ook oudere gebouwen. Dit is mede te danken aan technologische verbeteringen die ervoor gezorgd hebben dat de kostprijs van silicium-gebaseerde zonnepanelen gevoelig is gedaald, tot op het niveau dat er geen overheidssteun meer nodig is om de investering van een fotovoltaïsche installatie op relatief korte termijn terug te winnen. Doch, het productieproces van silicium "wafers" (de kleinere cellen waaruit een groot paneel is opgebouwd) is complex, en bijgevolg is er een inherente onderlimiet verbonden aan hun kostprijs. Alternatieve, low-cost technologieën zoals organische zonnecellen en Grätzelcellen zijn al sinds begin jaren 1990 in ontwikkeling maar hebben tot dusver vooral in termen van efficiëntie nog niet de vereiste maturiteit bereikt. Enkele jaren geleden kwam het tot een keerpunt: de ongezien snelle ontwikkeling van organisch‑anorganische perovskieten plaatst een nieuwe veelbelovende speler in het fotovoltaïsche veld, die tevens uitgeroepen is door het prestigieuze tijdschrift ‘Science’ tot een van de belangrijkste wetenschappelijke doorbraken van 2013.

Lood-bevattend en instabielPerovskiet is een verzamelnaam voor de kristalstructuur (d.w.z. periodiek gerangschikte elementen) ABX3, waarbij A en B kationen zijn en X het anion. De kristalstructuur is in de 19de eeuw ontdekt in de natuur in de vorm van het mineraal calciumtitanaat, maar er is een overvloed aan combinaties van elementen die zich in de perovskietstructuur kunnen schikken. Uiteraard worden de eigenschappen ervan sterk bepaald door hun chemische samenstelling. Hoewel het specifieke perovskiet dat nu populair is in fotovoltaïsche toepassingen (A‑B‑X3=methylammonium‑lood‑trijodide) voor de eerste keer gesynthetiseerd werd in 1978 door Dieter Weber, was het eigenlijke potentieel ervan nog niet ontdekt en duurde het tot 2009 vooraleer er vanuit de onderzoeksgroep van Prof. Tsutomu Miyasaka een publicatie verscheen over het materiaal in een aangepaste Grätzelcel. Daarna duurde het nog drie jaar vooraleer de echte rage in gang werd gezet middels de introductie van een vernieuwde cel-architectuur. Deels kapitaliserend op 20 jaar onderzoek naar organische zonnecellen en Grätzelcellen, haalde deze configuratie in amper 3 jaar tijd op laboschaal record efficiënties van ~20%, bijna vergelijkbaar met silicium (25%). Ondanks deze baanbrekende ontwikkelingen staat het begrip omtrent fundamentele fysische en chemische eigenschappen nog in de kinderschoenen. Ook dreigt het perovskietkristal te degraderen onder invloed van stressfactoren zoals vocht en warmte, waardoor loodcomponenten kunnen vrijkomen. Zowel op labo-niveau als voor potentieel grootschalig gebruik leidt dit tot grote bezorgdheid. Wereldwijde onderzoeksinspanningen richten zich dan ook op het gebruik van alternatieve metalen in de kristalstructuur om het beloftevolle perovskiet te kunnen commercialiseren. Tin, ook een groep IV metaal, wordt als de beste kandidaat gesuggereerd. De atoomradius en elektronconfiguratie zouden de gunstige eigenschappen in termen van lichtabsorptie en ladingstransport kunnen faciliteren in het resulterende perovskietkristal, net zoals voor lood. Helaas is tin ook een zwaar metaal dat gekend is voor zijn nadelige toxische effecten, waardoor het gebruik ervan als ecologisch alternatief in twijfel kan getrokken worden.

Impact op milieuOm de impact van het zware metaal in de perovskietstructuur te onderzoeken werd de studie opgesplitst in twee complementaire aspecten. Allereerst gaat de focus naar het bestuderen van de exacte degradatieproducten. Hiervoor werden perovskietfilms blootgesteld aan een verhoogde temperatuur van 85°C als stressfactor. De gedetecteerde metaalhoudende afbraakproducten, voornamelijk loodjodide en tinjodide, werden vervolgens gebruikt om de impact van zowel tin als lood-gebaseerde perovskieten op het milieu in kaart te brengen. Hiervoor werd er gebruik gemaakt van het modelorganisme zebravissen Danio rerio. Deze gewervelde modelorganismen zijn uiterst efficiënt door hun snelle voortplanting en ontwikkeling, en ze vertonen 85% gelijkenis in genen met hogere organismen zoals de mens. Door gebruik van een protocol voorgeschreven door de intergouvernementele organisatie voor economische samenwerking en ontwikkeling (OESO) biedt dit modelorganisme een snelle route tot systematische vergelijking van beide perovskietfamilies. Er werd voor elk van beiden een reeks concentraties getest om het toxicologisch profiel in beeld te brengen. Opvallend hieraan was dat de vissen een grotere last ondervinden bij een blootstelling aan tin dan aan lood. Bij het vergelijken van fysieke abnormaliteiten gedurende de ontwikkeling bleek echter dat onderliggende reacties, die niet noodzakelijk gekoppeld zijn aan de blootstelling aan het zware metaal, ook een rol spelen. We toonden aan dat de spontane oxidatie van tin-gebaseerde materialen resulteert in een verzuring van het testmedium, hetgeen bijna exclusief verantwoordelijk was voor de hoge letaliteit. Hetzelfde mechanisme treedt in mindere mate op bij blootstelling aan loodhoudende afbraakproducten, maar in dit geval is het karakter van de toxiciteit duidelijk duaal: Het metaal wordt voor een kleine fractie geneutraliseerd waardoor naast een mindere mate aan verzuring ook de werkelijke blootstelling aan het metaal een toxisch effect in de hand werkt.In conclusie, deze resultaten nuanceren het verhoopte milieuvriendelijke karakter van tin versus lood in perovskieten, zoals vaak in de literatuur gesuggereerd. De studie onthult een route van intoxicatie (in de vorm van verzuring) die voorheen onopgemerkt is gebleven, en in geval van tin een grotere impact blijkt te hebben dan blootstelling aan het zware metaal zelf. Teneinde de perovskiettechnologie op grote schaal te kunnen toepassen is het dus raadzaam het enthousiasme voor tin als ecologisch alternatief voor lood met enige terughoudendheid te benaderen en verder onderzoek en ontwikkeling ook op andere metalen te richten.

Bibliografie

1.      Pachauri RK. Climate Change. Intergovernmental Panel on Climate Change, 2014.

2.      Key World Energy Statistics 2014 [cited 2015 5th June]. Available from: http://www.iea.org/publications/freepublications/.

3.      Turner G. Global Renewable Energy Outlook. Bloomberg New Energy Finance, 2013.

4.      Snaith HJ. Perovskites: The Emergence of a New Era for Low-Cost, High-Efficiency Solar Cells. J Phys Chem Lett. 2013;4(21):3623-30.

5.      Park N-G. Organometal Perovskite Light Absorbers Toward a 20% Efficiency Low-Cost Solid-State Mesoscopic Solar Cell. J Phys Chem Lett. 2013;4(15):2423-9.

6.      Green MA, Ho-Baillie A, Snaith HJ. The emergence of perovskite solar cells. Nat Photon. 2014;8(7):506-14.

7.      Niu G, Guo X, Wang L. Review of recent progress in chemical stability of perovskite solar cells. J Mater Chem. 2015;3(17):8970-80.

8.      Frost JM, Butler KT, Walsh A. Molecular ferroelectric contributions to anomalous hysteresis in hybrid perovskite solar cells. APL Mater. 2014;2(8):081506.

9.      Espinosa N, Serrano-Luján L, Urbina A, Krebs FC. Solution and vapour deposited lead perovskite solar cells: Ecotoxicity from a life cycle assessment perspective. Sol Energy Mater Sol Cells. 2015;137(0):303-10.

10.    Hailegnaw B, Kirmayer S, Edri E, Hodes G, Cahen D. Rain on Methylammonium Lead Iodide Based Perovskites: Possible Environmental Effects of Perovskite Solar Cells. J Phys Chem Lett. 2015;6(9):1543-7.

11.    Gong J, Darling SB, You F. Perovskite photovoltaics: life-cycle assessment of energy and environmental impacts. Energy Environ Sci. 2015:DOI: 10.1039/C5EE00615E.

12.    Hao F, Stoumpos CC, Cao DH, Chang RPH, Kanatzidis MG. Lead-free solid-state organic-inorganic halide perovskite solar cells. Nat Photon. 2014;8(6):489-94.

13.    Kumar MH, Dharani S, Leong WL, Boix PP, Prabhakar RR, Baikie T, et al. Lead-free halide perovskite solar cells with high photocurrents realized through vacancy modulation. Adv Mater. 2014;26(41):7122-7.

14.    Noel NK, Stranks SD, Abate A, Wehrenfennig C, Guarnera S, Haghighirad A-A, et al. Lead-free organic-inorganic tin halide perovskites for photovoltaic applications. Energy Environ Sci. 2014;7(9):3061-8.

15.    Wu YL, Pan X, Mudumana SP, Wang H, Kee PW, Gong Z. Development of a heat shock inducible gfp transgenic zebrafish line by using the zebrafish hsp27 promoter. Gene. 2008;408(1-2):85-94.

16.    Kimmel CB, Ballard WW, Kimmel SR, Ullmann B, Schilling TF. Stages of embryonic development of the zebrafish. Dev Dyn. 1995;203(3):253-310.

17.    Umari P, Mosconi E, De Angelis F. Relativistic GW calculations on CH3NH3PbI3 and CH3NH3SnI3 Perovskites for Solar Cell Applications. Sci Rep. 2014;4:4467.

18.    Li C, Lu X, Ding W, Feng L, Gao Y, Guo Z. Formability of ABX3 (X = F, Cl, Br, I) halide perovskites. Acta Crystallogr, Sect B. 2008;64(6):702-7.

19.    Koh TM, Fu K, Fang Y, Chen S, Sum TC, Mathews N, et al. Formamidinium-Containing Metal-Halide: An Alternative Material for Near-IR Absorption Perovskite Solar Cells. J Phys Chem C. 2014;118(30):16458-62.

20.    Eperon GE, Stranks SD, Menelaou C, Johnston MB, Herz LM, Snaith HJ. Formamidinium lead trihalide: a broadly tunable perovskite for efficient planar heterojunction solar cells. Energy Environ Sci. 2014;7(3):982-8.

21.    Weber D. CH3NH3PbX3, a lead(II) system with cubic perovskite structure. Z Naturforsch, B: Chem Sci. 1978;33b:1443-5.

22.    Kojima A, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T. Novel Photoelectrochemical Cell with Mesoscopic Electrodes Sensitized by Lead-halide Compounds (5). Meeting Abstracts. 2007;MA2007-02(8):352.

23.    Kojima A, Teshima K, Shirai Y, Miyasaka T. Organometal Halide Perovskites as Visible-Light Sensitizers for Photovoltaic Cells. J Am Chem Soc. 2009;131(17):6050-1.

24.    Lee MM, Teuscher J, Miyasaka T, Murakami TN, Snaith HJ. Efficient Hybrid Solar Cells Based on Meso-Superstructured Organometal Halide Perovskites. Science. 2012;2:591.

25.    Kim H-S, Lee C-R, Im J-H, Lee K-B, Moehl T, Marchioro A, et al. Lead Iodide Perovskite Sensitized All-Solid-State Submicron Thin Film Mesoscopic Solar Cell with Efficiency Exceeding 9%. Sci Rep. 2012;5:1312-7.

26.    Sun S, Salim T, Mathews N, Duchamp M, Boothroyd C, Xing G, et al. The origin of high efficiency in low-temperature solution-processable bilayer organometal halide hybrid solar cells. Energy Environ Sci. 2014;7(1):399-407.

27.    Wehrenfennig C, Eperon GE, Johnston MB, Snaith HJ, Herz LM. High charge carrier mobilities and lifetimes in organolead trihalide perovskites. Adv Mater. 2014;26(10):1584-9.

28.    Stranks SD, Eperon GE, Grancini G, Menelaou C, Alcocer MJP, Leijtens T, et al. Electron-Hole Diffusion Lengths Exceeding 1 Micrometer in an Organometal Trihalide Perovskite Absorber. Science. 2013;342(6156):341-4.

29.    Noh JH, Im SH, Heo JH, Mandal TN, Seok SI. Chemical Management for Colorful, Efficient, and Stable Inorganic–Organic Hybrid Nanostructured Solar Cells. Nano Lett. 2013;13(4):1764-9.

30.    Laboratory NRE. solar cell efficiency chart 2015. Available from: http://www.nrel.gov/ncpv/.

31.    Yang J, Siempelkamp BD, Liu D, Kelly TL. Investigation of CH3NH3PbI3 degradation rates and mechanisms in controlled humidity environments using in situ techniques. ACS nano. 2015;9(2):1955-63.

32.    Leijtens T, Eperon GE, Pathak S, Abate A, Lee MM, Snaith HJ. Overcoming ultraviolet light instability of sensitized TiO2 with meso-superstructured organometal tri-halide perovskite solar cells. Nat Commun. 2013;4:2885.

33.    Ito S, Tanaka S, Manabe K, Nishino H. Effects of Surface Blocking Layer of Sb2S3 on Nanocrystalline TiO2 for CH3NH3PbI3 Perovskite Solar Cells. J Phys Chem C. 2014;118(30):16995-7000.

34.    Aristidou N, Sanchez-Molina I, Chotchuangchutchaval T, Brown M, Martinez L, Rath T, et al. The Role of Oxygen in the Degradation of Methylammonium Lead Trihalide Perovskite Photoactive Layers. Angew Chem Int Ed. 2015:DOI:10.1002/anie.201503153.

35.    Conings B, Baeten L, Jacobs T, Dera R, D’Haen J, Manca J, et al. An easy-to-fabricate low-temperature TiO2 electron collection layer for high efficiency planar heterojunction perovskite solar cells. APL Mater. 2014;2(8):081505.

36.    Fthenakis VM. Life cycle impact analysis of cadmium in CdTe PV production. Renewable and Sustainable Energy Reviiews. 2004;8(4):303-34.

37.    Patrick L. Lead toxicity, a review of the literature. Part 1: Exposure, evaluation, and treatment. Altern Med Rev. 2006;11(1):2-22.

38.    Ekong EB, Jaar BG, Weaver VM. Lead-related nephrotoxicity: A review of the epidemiologic evidence. Kidney Int. 2006;70(12):2074-84.

39.    Flora G, Gupta D, Tiwari A. Toxicity of lead: A review with recent updates. Interdisciplinary Toxicology. 2012;5(2):47-58.

40.    Neary E, Ahmareen O, Sharif F. Literature Review on Lead Poisoning. Pediatr Res. 2010;68(S1):706.

41.    Prevention CfDCa. Blood Lead Levels in Children. In: (ACCLPP) CLPP, editor.: National Center for Environmental Health, Division of Emergency and Environmental Health Services; 2013.

42.    Graf GG. Tin, Tin Alloys, and Tin Compounds.  Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA; 2000.

43.    Blunden S, Wallace T. Tin in canned food: a review and understanding of occurrence and effect. Food Chem Toxicol. 2003;41(12):1651-62.

44.    Winship KA. Toxicity of tin and its compounds. Adverse Drug React Acute Poisoning Rev. 1988;7(1):19-38.

45.    Conings B, Drijkoningen J, Gauquelin N, Babayigit A, D'Haen J, D'Olieslaeger L, et al. Intrinsic Thermal Instability of Methylammonium Lead Trihalide Perovskite. Adv Energy Mater. 2015:DOI:10.1002/aenm.201500477.

46.    Commitee on Toxicity Testing and Assessment of Environmental Agents NRC. Toxicity Testing in the 21st Century: A vision and a Strategy. Washington, D.C.: National Academy of Sciences; 2007. 216 p.

47.    Strähle U, Scholz, S., Geisler, R., Greiner, P., Hollert, H., Rastegar, S., Schumacher, A., Selderslaghs, I., Weiss, C., Witters, H., and Braunbeck, T. . Zebrafish embryos as an alternative to animal experiments-A commentary on the definition of the onset of protected life stages in animal welfare regulations. . Reprod Toxicol. 2011;33(2):128-32.

48.    Hill AJ, Teraoka H, Heideman W, Peterson RE. Zebrafish as a Model Vertebrate for Investigating Chemical Toxicity. Toxicol Sci. 2005;86(1):6-19.

49.    Centre JR. EURL ECVAM Recommendation on the Zebrafish Embryo Acute Toxicity Test Method (ZFET) for Acute Aquatic Toxicity Testing. Publication Office of the European Union: European Union Reference Laboratory for Alternatives to Animal Testing, 2014 July Report No.:  Contract No.: EU26710.

50.    Development OfEC-oa. Guideline for the testing of chemicals 2006 [cited 2015 June 5th]. Available from: http://www.oecd.org/chemicalsafety/testing/36817070.pdf.

51.    Blechinger SR, Evans TG, Tang PT, Kuwada JY, Warren Jr JT, Krone PH. The heat-inducible zebrafish hsp70 gene is expressed during normal lens development under non-stress conditions. Mech of Devel. 2002;112(1–2):213-5.

52.    Howe K, Clark MD, Torroja CF, Torrance J, Berthelot C, Muffato M, et al. The zebrafish reference genome sequence and its relationship to the human genome. Nature. 2013;496(7446):498-503.

53.    Conings B, Baeten L, De Dobbelaere C, D'Haen J, Manca J, Boyen HG. Perovskite-based hybrid solar cells exceeding 10% efficiency with high reproducibility using a thin film sandwich approach. Adv Mater. 2014;26(13):2041-6.

54.    McMullan D. Scanning electron microscopy 1928–1965. Scanning. 1995;17(3):175-85.

55.    Scanning electron microscope  [cited 2015 June 5th]. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Scanning_electron_microscope.

56.    Bragg WL. The Structure of Some Crystals as Indicated by Their Diffraction of X-rays. Proc Math Phys Eng Sci. 1913;89(610):248-77.

57.    X-ray crystallography  [cited 2015 June 4the]. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/X-ray_crystallography.

58.    Nordling C, Sokolowski E, Siegbahn K. Precision Method for Obtaining Absolute Values of Atomic Binding Energies. Phys Rev X. 1957;105(5):1676-7.

59.    MP Seah DB, JC Rivière, S Hofmann, PMA Sherwood. Practical surface analysis

. D Briggs MS, editor. England: WILEY; 1996.

60.    Jose C. X-ray Photoelectron Spectroscopy 2011 [cited 2015 June 5th]. Available from: https://wiki.utep.edu/pages/viewpage.action?pageId=51217144.

61.    Sooväli L, Rõõm E-I, Kütt A, Kaljurand I, Leito I. Uncertainty sources in UV-Vis spectrophotometric measurement. Accred Qual Assur. 2006;11(5):246-55.

62.    Photoluminescence  [cited 2015 June 5th]. Available from: http://www.oxford-instruments.com/industries-and-applications/research/optical-spectroscopy/photoluminescence.

63.    Horie M, Fujiwara N, Kokubo M, Kondo N, editors. Spectroscopic thin film thickness measurement system for semiconductor industries. Instrumentation and Measurement Technology Conference, 1994 IMTC/94 Conference Proceedings 10th Anniversary Advanced Technologies in I & M, 1994 IEEE; 1994 10-12 May 1994.

64.    Antonio Luque SH. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering: John Wiley and Sons.; 2003.

65.    Theory of Solar Cells  [cited 2015 5th June]. Available from: http://en.wikipedia.org/wiki/Theory_of_solar_cells.

66.    Keitley Solar cell Testing  [cited 2015 June 5th]. Available from: http://www.keithley.com/solar_cell.

67.    Shockley W, Queisser HJ. Detailed Balance Limit of Efficiency of p‐n Junction Solar Cells. J Appl Phys. 1961;32(3):510-9.

68.    Alvin C Rencher WFC. Methods of Multivariate Analysis: John Wiley and Sons. ; 2012.

69.    Li W, Ni C, Lin H, Huang CP, Shah SI. Size dependence of thermal stability of TiO2 nanoparticles. J Appl Phys. 2004;96(11):6663-8.

70.    Komjarova I, Blust R. Effects of Na, Ca, and pH on the simultaneous uptake of Cd, Cu, Ni, Pb, and Zn in the zebrafish Danio rerio: a stable isotope experiment. Environ Sci Technol. 2009;43(20):7958-63.

71.    Zhu G, Liu P, Hojamberdiev M, Zhou J-p, Huang X, Feng B, et al. Controllable synthesis of PbI2 nanocrystals via a surfactant-assisted hydrothermal route. Appl Phys A. 2010;98(2):299-304.

72.    Zhu G, Hojamberdiev M, Liu P, Peng J, Zhou J, Bian X, et al. The effects of synthesis parameters on the formation of PbI2 particles under DTAB-assisted hydrothermal process. Mater Chem Phys. 2011;131(1–2):64-71.

73.    Clever HL, Johnston FJ. The solubility of some sparingly soluble lead salts: An evaluation of the solubility in water and aqueous electrolyte solution. J Phys Chem Ref Data. 1980;9(3):751-84.

74.    Alexander V. Naumkin AK-V, Stephen W. Gaarenstroom, Cedric J. Powell. X-ray Photoelectron Spectroscopy Database National Institute of Standards and Technology;  [cited 2015 5th June]. Available from: http://srdata.nist.gov/xps/.

Universiteit of Hogeschool
Bio-electronica en Nanotechnologie
Publicatiejaar
2015
Kernwoorden
Share this on: