"Dehnungstrick" verbessert Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen
Solarenergie ist eine der vielversprechendsten Lösungen, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Doch die Steigerung der Effizienz von Solarzellen ist eine ständige Herausforderung. Perowskit-Solarzellen (PSC) haben sich als bahnbrechend erwiesen, da sie rasche Verbesserungen des Wirkungsgrads und das Potenzial für eine kostengünstige Herstellung bieten. Allerdings leiden sie immer noch unter Energieverlusten und Problemen mit der Betriebsstabilität.
Die Herausforderung bei Perowskiten mit breiter Bandlücke
Perowskit-Solarzellen, insbesondere solche, die in Tandemkonfigurationen verwendet werden, sind auf Materialien mit breiter Bandlücke (wide-bandgap, WBG) angewiesen - Halbleiter, die energiereicheres (blaueres") Licht absorbieren, während sie energieärmeres (röteres) Licht durchlassen -, um die Effizienz zu maximieren. Bei Perowskit-Formulierungen mit breiter Bandlücke kommt es jedoch häufig zu einer Phasentrennung, bei der sich verschiedene Komponenten im Laufe der Zeit trennen, was zu einem Leistungsabfall führt.
Eine Lösung ist die Zugabe von Rubidium (Rb), um die WBG-Materialien zu stabilisieren, aber es gibt einen Haken: Rb neigt dazu, unerwünschte Sekundärphasen zu bilden, was seine Wirksamkeit bei der Stabilisierung der Perowskit-Struktur verringert.
Die Lösung der EPFL: Dehnung als Rettung
Wissenschaftler um Lukas Pfeifer und Likai Zheng aus der Gruppe von Michael Grätzel an der EPFL haben nun einen Weg gefunden, Rb dort zu halten, wo es gebraucht wird. Indem sie die "Gitterdehnung" des Perowskitfilms ausnutzten, gelang es ihnen, Rb-Ionen in die Struktur einzubauen, wodurch die unerwünschte Phasentrennung verhindert wurde. Dieser neuartige Ansatz stabilisiert nicht nur das WBG-Material, sondern verbessert auch seine Energieeffizienz, indem er die nicht-strahlende Rekombination minimiert - eine der Hauptursachen für den Energieverlust.
Die Forscher nutzten die Gitterdehnung - eine kontrollierte Verzerrung der atomaren Struktur - um Rb im Perowskit-Gitter zu halten. Sie erreichten dies durch eine Feinabstimmung der chemischen Zusammensetzung und eine präzise Anpassung des Heiz- und Kühlprozesses. Durch schnelles Erhitzen und anschließendes kontrolliertes Abkühlen wurden Spannungen erzeugt, die verhinderten, dass Rb unerwünschte Sekundärphasen bildete, und die dafür sorgten, dass es in der Struktur integriert blieb.
Verifizierung und Feinabstimmung des Ansatzes
Um diesen Effekt zu bestätigen und zu verstehen, nutzte das Team die Röntgenbeugung, um strukturelle Veränderungen zu analysieren, die magnetische Festkörperresonanz, um die Platzierung der Rb-Atome zu verfolgen, und die Computermodellierung, um zu simulieren, wie die Atome unter verschiedenen Bedingungen interagieren. Diese Techniken lieferten ein detailliertes Bild davon, wie die Dehnung den Rb-Einbau stabilisiert.
Neben der Gitterdehnung fanden sie auch heraus, dass die Einführung von Chloridionen der Schlüssel zur Stabilisierung des Gitters ist, indem die Größenunterschiede zwischen den eingebauten Elementen ausgeglichen werden. Dadurch wurde eine gleichmäßigere Verteilung der Ionen gewährleistet, was Defekte reduzierte und die allgemeine Materialstabilität verbesserte.
Das Ergebnis? Ein einheitlicheres Material mit weniger Defekten und einer stabileren elektronischen Struktur. Die neue Perowskit-Zusammensetzung, die mit spannungsstabilisiertem Rb angereichert wurde, erreichte eine Leerlaufspannung von 1,30 V - beeindruckende 93,5 % der theoretischen Grenze. Dies ist einer der niedrigsten Energieverluste, die jemals bei WBG-Perowskiten gemessen wurden. Darüber hinaus zeigte das modifizierte Material eine verbesserte Photolumineszenz-Quantenausbeute (PLQY), was darauf hindeutet, dass das Sonnenlicht effizienter in Strom umgewandelt wird.
Auswirkungen auf erneuerbare Energien
Die Verringerung der Energieverluste in Perowskit-Solarzellen könnte zu effizienteren und kostengünstigeren Solarzellen führen. Dies ist besonders wichtig für Tandemsolarzellen, bei denen Perowskite mit Silizium gepaart werden, um die Effizienz zu maximieren.
Die Ergebnisse haben auch Auswirkungen über Solarzellen hinaus - Perowskite werden für LEDs, Sensoren und andere optoelektronische Anwendungen erforscht. Durch die Stabilisierung von WBG-Perowskiten könnte die EPFL-Forschung dazu beitragen, die Kommerzialisierung dieser Technologien zu beschleunigen.
Andere Mitwirkende
- EPFL-Labor für magnetische Resonanz
- EPFL-Plattform für Röntgenbeugung und Oberflächenanalyse
- EPFL-Kristallzüchtungsanlage
- EPFL-Labor für computergestützte Chemie und Biochemie
- Nanjing Universität für Luft- und Raumfahrt
- Nationale Universität von Singapur
- Politecnico di Milano
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Originalveröffentlichung
Likai Zheng, Mingyang Wei, Felix T. Eickemeyer, Jing Gao, Bin Huang, Ummugulsum Gunes, Pascal Schouwink, David Wenhua Bi, Virginia Carnevali, Mounir Mensi, Francesco Biasoni, Yuxuan Zhang, Lorenzo Agosta, Vladislav Slama, Nikolaos Lempesis, Michael A. Hope, Shaik M. Zakeeruddin, Lyndon Emsley, Ursula Rothlisberger, Lukas Pfeifer, Yimin Xuan, Michael Grätzel. Strain-induced rubidium incorporation into wide bandgap perovskites reduces photovoltage loss. Science 04 April 2025
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