Quelle: wissenschaftlich
Ein Forscher von Georgia Tech besitzt eine auf Perowskit basierende Solarzelle, die flexibel und leichter als Versionen auf Siliziumbasis ist.
Bildnachweis: Rob Felt, Georgia Tech
Es gibt viel zu mögen an Perowskit-basierten Solarzellen. Sie sind einfach und kostengünstig herzustellen, bieten Flexibilität, die eine Vielzahl neuer Installationsmethoden und -orte erschließen könnte, und haben in den letzten Jahren Energieeffizienz erreicht, die denen herkömmlicher Zellen auf Siliziumbasis nahekommt.
Herauszufinden, wie man Perowskit-basierte Energieanlagen herstellen kann, die länger als ein paar Monate halten, war eine Herausforderung.
Forscher des Georgia Institute of Technology, der University of California, San Diego, und des Massachusetts Institute of Technology haben jetzt neue Erkenntnisse über Perowskit-Solarzellen vorgelegt, die den Weg zu leistungsfähigeren Geräten führen könnten.
"Perovskit-Solarzellen bieten viele potenzielle Vorteile, da sie extrem leicht sind und mit flexiblen Kunststoffsubstraten hergestellt werden können", sagte Juan-Pablo Correa-Baena, Assistenzprofessor an der Georgia Tech School of Materials Science and Engineering. "Um auf dem Markt mit Solarzellen auf Siliziumbasis bestehen zu können, müssen sie jedoch effizienter sein."
In einer Studie, die am 8. Februar in der Zeitschrift Science veröffentlicht und vom US-amerikanischen Department Energy und der National Science Foundation gesponsert wurde, beschrieben die Forscher detailliert die Mechanismen, wie der Zusatz von Alkalimetall zu den traditionellen Perowskiten zu einer besseren Leistung führt.
"Perovskites könnten das Spiel im Solarbereich wirklich verändern", sagte David Fenning, Professor für Nano-Engineering an der University of California San Diego. "Sie haben das Potenzial, die Kosten zu senken, ohne auf die Leistung zu verzichten. Aber es gibt noch viel zu lernen über diese Materialien."
Um Perowskitkristalle zu verstehen, ist es hilfreich, die kristalline Struktur als Triade zu betrachten. Ein Teil der Dreiergruppe wird typischerweise aus der Elementleitung gebildet. Die zweite besteht typischerweise aus einer organischen Komponente wie Methylammonium und die dritte besteht oft aus anderen Halogeniden wie Brom und Jod.
In den letzten Jahren haben sich die Forscher darauf konzentriert, verschiedene Rezepturen zu testen, um bessere Wirkungsgrade zu erzielen, beispielsweise die Zugabe von Jod und Brom zur Leitkomponente der Struktur. Später versuchten sie, den Teil des Perowskits, der typischerweise von organischen Molekülen besetzt ist, durch Cäsium und Rubidium zu ersetzen.
"Wir wussten aus früheren Arbeiten, dass die Zugabe von Cäsium und Rubidium zu einem gemischten Brom- und Jod-Perowskit zu einer besseren Stabilität und höheren Leistung führt", sagte Correa-Baena.
Es war jedoch wenig darüber bekannt, warum die Zugabe dieser Alkalimetalle die Leistung der Perowskite verbesserte.
Um genau zu verstehen, warum dies zu funktionieren schien, untersuchten die Forscher die Perowskite im Nanomaßstab mithilfe von Röntgenaufnahmen mit hoher Intensität.
"Wenn wir die Zusammensetzung des Perowskit-Materials betrachten, können wir sehen, wie jedes einzelne Element eine Rolle bei der Verbesserung der Leistung des Geräts spielt", sagte Yanqi (Grace) Luo, ein Doktor der Nanotechnologie an der UC San Diego.
Sie stellten fest, dass bei Zugabe von Cäsium und Rubidium zu dem gemischten Brom- und Jod-Blei-Perowskit Brom und Jod homogener gemischt wurden, was zu einer um bis zu 2 Prozent höheren Umwandlungseffizienz führte als die Materialien ohne diese Zusätze.
"Wir haben festgestellt, dass die Perowskit-Solarzelle durch ihre Einheitlichkeit in der Chemie und Struktur optimal genutzt werden kann", sagte Fenning. "Jede Heterogenität in diesem Rückgrat ist wie ein schwaches Glied in der Kette."
Trotzdem beobachteten die Forscher, dass während der Zugabe von Rubidium oder Cäsium Brom und Iod homogener wurden, die Halogenidmetalle selbst innerhalb ihres eigenen Kations ziemlich gebündelt blieben, wodurch inaktive Solarzellen erzeugt wurden, die keinen Strom erzeugen.
"Das war überraschend", sagte Fenning. "Mit diesen toten Zonen würde normalerweise eine Solarzelle getötet. In anderen Materialien wirken sie wie schwarze Löcher, die Elektronen aus anderen Regionen ansaugen und sie niemals loslassen, so dass Sie Strom und Spannung verlieren.
"Aber bei diesen Perowskiten haben wir gesehen, dass die toten Zonen um Rubidium und Cäsium die Leistung von Solarzellen nicht zu sehr beeinträchtigen, obwohl es zu Stromverlusten kam", sagte Fenning. "Das zeigt, wie robust diese Materialien sind, aber es gibt noch mehr Verbesserungsmöglichkeiten."
Die Ergebnisse tragen dazu bei, die Funktionsweise der Perowskit-basierten Geräte im Nanomaßstab zu verstehen und könnten die Grundlage für zukünftige Verbesserungen bilden.
"Diese Materialien versprechen sehr kosteneffektiv und leistungsstark. Dies ist ziemlich genau das, was wir brauchen, um sicherzustellen, dass Photovoltaik-Module weit verbreitet sind", sagte Correa-Baena. "Wir wollen versuchen, die Probleme des Klimawandels zu kompensieren. Deshalb sollen Photovoltaikzellen so günstig wie möglich sein."
