Neue Technik ebnet den Weg für perfekte Perowskite

22.10.2021 - USA

Ein aufregendes neues Solarmaterial namens organisch-anorganische Halogenid-Perowskite könnte den USA eines Tages helfen, ihre solaren Ambitionen zu verwirklichen und das Stromnetz zu dekarbonisieren. Perowskit-Solarmaterialien sind tausendmal dünner als Silizium und können durch einfache Änderung ihrer Zusammensetzung auf verschiedene Farben des Sonnenspektrums abgestimmt werden.

Hybrid-Perowskit-Solarmaterialien, die in der Regel aus organischen Molekülen wie Methylammonium und anorganischen Metallhalogeniden wie Blei-Jodid hergestellt werden, haben eine hohe Toleranz gegenüber Defekten in ihrer Molekularstruktur und absorbieren sichtbares Licht effizienter als Silizium, der Standard der Solarindustrie.

Insgesamt machen diese Eigenschaften Perowskite zu vielversprechenden aktiven Schichten nicht nur in der Photovoltaik (Technologien, die Licht in Elektrizität umwandeln), sondern auch in anderen Arten von elektronischen Geräten, die auf Licht reagieren oder es kontrollieren, einschließlich Leuchtdioden (LEDs), Detektoren und Lasern.

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"Obwohl Perowskite ein großes Potenzial für den Ausbau der Solarenergie bieten, konnten sie bisher nicht kommerziell genutzt werden, da ihre zuverlässige Synthese und Langzeitstabilität die Wissenschaftler lange vor Herausforderungen stellte", sagte Carolin Sutter-Fella, Wissenschaftlerin an der Molecular Foundry, einer nanowissenschaftlichen Einrichtung des Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab). "Jetzt könnte der Weg zu perfekten Perowskiten bald in Reichweite sein."

In einer aktuellen Studie in Nature Communications, die von Sutter-Fella geleitet wurde, wird berichtet, dass die Herstellung von Solarmaterialien durch ein hochentwickeltes neues Instrument unterstützt werden könnte, das zwei Arten von Licht - unsichtbares Röntgenlicht und sichtbares Laserlicht - verwendet, um die Kristallstruktur und die optischen Eigenschaften eines Perowskit-Materials während seiner Synthese zu untersuchen.

"Wenn man dünne Solarschichten herstellt, hat man normalerweise ein eigenes Syntheselabor und muss zur Charakterisierung in ein anderes Labor gehen. Mit unserer Entwicklung kann man ein Material zur gleichen Zeit und am gleichen Ort vollständig synthetisieren und charakterisieren", sagte sie.

Für diese Arbeit stellte Sutter-Fella ein internationales Team von Spitzenwissenschaftlern und -ingenieuren zusammen, um eine Röntgenstrahl-Endstation mit einem Laser an der Advanced Light Source (ALS) des Berkeley Labs auszustatten.

Das hochintensive Röntgenlicht des neuen Instruments ermöglicht es den Forschern, die Kristallstruktur des Perowskit-Materials zu untersuchen und Details über schnelle chemische Prozesse zu enthüllen. So lässt sich damit beispielsweise charakterisieren, was in der Sekunde vor und nach der Umwandlung einer flüssigen Vorläuferlösung in einen festen dünnen Film durch einen Tropfen eines Verfestigungsmittels geschieht.

Gleichzeitig können mit dem Laser Elektronen und Löcher (elektrische Ladungsträger) in der Perowskit-Dünnschicht erzeugt werden, so dass die Wissenschaftler die Reaktion eines Solarmaterials auf Licht beobachten können, sei es als fertiges Produkt oder in den Zwischenstufen der Materialsynthese.

"Die Ausstattung einer Röntgenstrahlendstation mit einem Laser ermöglicht es den Nutzern, diese komplementären Eigenschaften gleichzeitig zu untersuchen", erklärt Sutter-Fella.

Diese Kombination von gleichzeitigen Messungen könnte Teil eines automatisierten Arbeitsablaufs werden, um die Produktion von Perowskiten und anderen funktionalen Materialien in Echtzeit für die Prozess- und Qualitätskontrolle zu überwachen.

Perowskit-Filme werden in der Regel durch Schleuderbeschichtung hergestellt, eine erschwingliche Technik, die keine teuren Geräte oder komplizierten chemischen Verfahren erfordert. Und die Argumente für Perowskite werden noch deutlicher, wenn man bedenkt, wie energieintensiv allein die Herstellung von Silizium zu einem Solargerät ist - Silizium erfordert eine Verarbeitungstemperatur von etwa 2.732 Grad Celsius. Im Gegensatz dazu lassen sich Perowskite leicht aus einer Lösung bei Raumtemperatur bei nur 302 Grad Celsius verarbeiten.

Die Beamline-Endstation ermöglicht es den Forschern, die Vorgänge während der Synthese zu beobachten, insbesondere während der ersten Sekunden der Schleuderbeschichtung, einem kritischen Zeitfenster, in dem die Vorläuferlösung langsam zu einem dünnen Film zu erstarren beginnt.

Die Erstautorin Shambhavi Pratap, die sich auf die Verwendung von Röntgenstrahlen zur Untersuchung von Dünnschichtmaterialien für die Solarenergie spezialisiert hat, spielte als ALS-Doktorandin eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung des Instruments. Sie hat vor kurzem ihr Doktoratsstudium in der Müller-Buschbaum-Gruppe an der Technischen Universität München abgeschlossen.

"Mit dem Instrument können Forscher dokumentieren, wie kleine Dinge, die normalerweise als selbstverständlich angesehen werden, einen großen Einfluss auf die Qualität und Leistung von Materialien haben können", sagte Pratap.

"Um reproduzierbare und effiziente Solarzellen zu niedrigen Kosten herzustellen, kommt es auf alles an", sagte Sutter-Fella. Sie fügte hinzu, dass die Studie eine Teamarbeit war, die ein breites Spektrum wissenschaftlicher Disziplinen umfasste.

Die Arbeit ist das jüngste Kapitel in einer Reihe von Arbeiten, für die Sutter-Fella 2017 mit einem Berkeley Lab Early Career Laboratory Directed Research and Development (LDRD) Award ausgezeichnet wurde.

"Wir wissen, dass die Forschungsgemeinschaft daran interessiert ist, diese neue Fähigkeit an der ALS zu nutzen", sagte sie. "Jetzt wollen wir sie benutzerfreundlich gestalten, damit mehr Menschen die Vorteile dieser Endstation nutzen können."

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