Forschung offenbart thermische Instabilität von Solarzellen, eröffnet aber vielversprechenden Weg in die Zukunft
Eine neue Art der Solartechnologie hat sich in den letzten Jahren als vielversprechend erwiesen. Halogenid-Perowskit-Solarzellen sind sowohl leistungsstark als auch kostengünstig bei der Erzeugung elektrischer Energie - zwei notwendige Zutaten für eine erfolgreiche Solartechnologie der Zukunft. Neue Solarzellenmaterialien sollten jedoch auch mit der Stabilität von Solarzellen auf Siliziumbasis mithalten können, die sich seit mehr als 25 Jahren bewährt haben.
Symbolbild
Computer-generated image
In einer kürzlich veröffentlichten Forschungsarbeit zeigt ein Team unter der Leitung von Juan-Pablo Correa-Baena, Assistenzprofessor an der School of Materials Sciences and Engineering der Georgia Tech, dass Halogenid-Perowskit-Solarzellen weniger stabil sind als bisher angenommen. Ihre Arbeit enthüllt die thermische Instabilität, die in den Grenzschichten der Zellen auftritt, bietet aber auch einen Weg zu mehr Zuverlässigkeit und Effizienz für die Halogenid-Perowskit-Solartechnologie. Ihre Forschungsarbeit, die im Dezember 2022 als Titelgeschichte in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht wurde, hat unmittelbare Auswirkungen sowohl für Wissenschaftler als auch für Industriefachleute, die mit Perowskiten in der Photovoltaik arbeiten, einem Bereich, der sich mit durch Sonnenlicht erzeugten elektrischen Strömen befasst.
Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen versprechen eine bessere Umwandlung von Sonnenlicht in elektrischen Strom. Die derzeit gängigste Strategie, um diesen Zellen eine hohe Umwandlungseffizienz zu entlocken, besteht darin, ihre Oberflächen mit großen positiv geladenen Ionen, den so genannten Kationen, zu behandeln.
Diese Kationen sind zu groß, um in das Perowskit-Atomgitter zu passen, und wenn sie auf dem Perowskit-Kristall landen, verändern sie die Struktur des Materials an der Grenzfläche, an der sie abgelagert werden. Die daraus resultierenden Defekte auf atomarer Ebene schränken die Effizienz der Stromgewinnung aus der Solarzelle ein. Obwohl diese strukturellen Veränderungen bekannt sind, ist die Forschung darüber, ob die Kationen nach der Abscheidung stabil sind, begrenzt, was eine Lücke im Verständnis eines Prozesses hinterlässt, der die langfristige Lebensfähigkeit von Halogenid-Perowskit-Solarzellen beeinflussen könnte.
"Unsere Sorge war, dass sich der Umbau der Grenzflächen über lange Zeiträume des Solarzellenbetriebs fortsetzen würde", so Correa-Baena. "Wir wollten also verstehen und zeigen, wie dieser Prozess im Laufe der Zeit abläuft."
Zur Durchführung des Experiments erstellte das Team ein Beispielsolargerät mit typischen Perowskitfilmen. Das Gerät besteht aus acht unabhängigen Solarzellen, die es den Forschern ermöglichen, zu experimentieren und Daten über die Leistung jeder einzelnen Zelle zu gewinnen. Sie untersuchten, wie die Zellen mit und ohne die Kationen-Oberflächenbehandlung funktionieren würden, und untersuchten die mit Kationen modifizierten Grenzflächen jeder Zelle vor und nach längerer thermischer Belastung mit Synchrotron-Röntgencharakterisierungstechniken.
Zunächst setzten die Forscher die vorbehandelten Proben 40 Minuten lang einer Temperatur von 100 Grad Celsius aus und maßen dann mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie die Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung. Außerdem untersuchten sie mit einer anderen Röntgentechnik genau, welche Kristallstrukturen sich auf der Oberfläche der Folie bilden. Durch die Kombination der Informationen aus den beiden Instrumenten konnten die Forscher sichtbar machen, wie die Kationen in das Gitter diffundieren und wie sich die Grenzflächenstruktur bei Hitzeeinwirkung verändert.
Um zu verstehen, wie sich die durch die Kationen hervorgerufenen strukturellen Veränderungen auf die Leistung der Solarzellen auswirken, setzten die Forscher in Zusammenarbeit mit Carlos Silva, Professor für Physik und Chemie an der Georgia Tech, die Anregungskorrelationsspektroskopie ein. Bei dieser Technik werden die Solarzellenproben sehr schnellen Lichtimpulsen ausgesetzt und die Intensität des von der Schicht nach jedem Impuls abgegebenen Lichts gemessen, um zu verstehen, wie die Lichtenergie verloren geht. Die Messungen ermöglichen es den Forschern zu verstehen, welche Arten von Oberflächendefekten sich nachteilig auf die Leistung auswirken.
Schließlich setzte das Team die Veränderungen in der Struktur und den optoelektronischen Eigenschaften mit den Unterschieden in den Wirkungsgraden der Solarzellen in Beziehung. Sie untersuchten auch die durch hohe Temperaturen hervorgerufenen Veränderungen bei zwei der am häufigsten verwendeten Kationen und beobachteten die Unterschiede in der Dynamik an deren Grenzflächen.
"Unsere Arbeit hat gezeigt, dass die Behandlung mit bestimmten Kationen zu Instabilitäten führt", sagt Carlo Perini, Forscher im Labor von Correa-Baena und Erstautor der Studie. "Aber die gute Nachricht ist, dass wir mit der richtigen Technik der Grenzschicht die Stabilität dieser Technologie in Zukunft verbessern können.
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Oberflächen von Metallhalogenid-Perowskitfilmen, die mit organischen Kationen behandelt wurden, unter thermischer Belastung in ihrer Struktur und Zusammensetzung verändern. Sie stellten fest, dass die daraus resultierenden Veränderungen auf atomarer Ebene an der Grenzfläche einen bedeutenden Verlust an Energieumwandlungseffizienz in Solarzellen verursachen können. Darüber hinaus stellten sie fest, dass die Geschwindigkeit dieser Veränderungen von der Art der verwendeten Kationen abhängt, was darauf hindeutet, dass stabile Grenzflächen mit einer angemessenen technischen Gestaltung der Moleküle in Reichweite sein könnten.
"Wir hoffen, dass diese Arbeit die Forscher dazu veranlassen wird, diese Grenzflächen bei hohen Temperaturen zu testen und nach Lösungen für das Problem der Instabilität zu suchen", so Correa-Baena. "Diese Arbeit sollte den Wissenschaftlern den Weg in die richtige Richtung weisen, in einen Bereich, auf den sie sich konzentrieren können, um effizientere und stabilere Solartechnologien zu entwickeln."
Hinweis: Dieser Artikel wurde mit einem Computersystem ohne menschlichen Eingriff übersetzt. LUMITOS bietet diese automatischen Übersetzungen an, um eine größere Bandbreite an aktuellen Nachrichten zu präsentieren. Da dieser Artikel mit automatischer Übersetzung übersetzt wurde, ist es möglich, dass er Fehler im Vokabular, in der Syntax oder in der Grammatik enthält. Den ursprünglichen Artikel in Englisch finden Sie hier.
Originalveröffentlichung
Weitere News aus dem Ressort Wissenschaft
Holen Sie sich die Chemie-Branche in Ihren Posteingang
Ab sofort nichts mehr verpassen: Unser Newsletter für die chemische Industrie, Analytik, Labor und Prozess bringt Sie jeden Dienstag und Donnerstag auf den neuesten Stand. Aktuelle Branchen-News, Produkt-Highlights und Innovationen - kompakt und verständlich in Ihrem Posteingang. Von uns recherchiert, damit Sie es nicht tun müssen.
