Großes Anwendungspotenzial von Perowskiten in Solarzellen
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Perowskite – eine breite Kategorie von Verbindungen, die eine bestimmte Kristallstruktur aufweisen – haben als potenzielle neue Solarzellenmaterialien aufgrund ihrer niedrigen Kosten, der Flexibilität und ihrer relativ einfachen Herstellungsverfahren viel Aufmerksamkeit auf sich gelenkt.
Aber vieles bleibt noch unbekannt über die Details ihrer Struktur und die Auswirkungen des Ersatzes verschiedener Metalle oder anderer Elemente innerhalb des Materials.
Konventionelle Solarzellen aus Silizium müssen bei Temperaturen von über 1400 °C mit teuren Geräten verarbeitet werden, die ihr Potenzial für eine Produktionsausweitung einschränken.
Im Gegensatz dazu lassen sich Perowskite in einer flüssigen Lösung bei Temperaturen von bis zu 100 °C mit kostengünstigen Geräten herstellen. Darüber hinaus können Perowskite auf einer Vielzahl von Substraten, einschließlich flexibler Kunststoffe, aufgetragen werden, was viele neue Anwendungen mit sich bringt, die mit dickeren, steiferen Siliziumwafern nicht realisierbar sind.
Jetzt ist es Forschern gelungen, einen wichtigen Aspekt des Verhaltens von Perowskiten zu entschlüsseln, die mit verschiedenen Zusammensetzungen hergestellt wurden. Bei bestimmten Additiven gibt es eine Art “Sweet Spot”, bei dem größere Mengen die Leistung erhöhen und darüber hinaus weitere Mengen damit beginnen, sie wieder abzubauen.
Der Forschungsbericht erschien in “Science”. Die Autoren sind der ehemalige MIT-Postdoc Juan-Pablo Correa-Baena, die MIT-Professoren Tonio Buonassisi und Moungi Bawendi sowie weitere 18 Experten vom MIT, der University of California in San Diego und anderen Institutionen.
Perowskite sind eine Familie von Verbindungen, die eine dreiteilige Kristallstruktur aufweisen. Jedes Teil kann aus einer Vielzahl von verschiedenen Elementen oder Verbindungen bestehen – was zu einer sehr breiten Palette von möglichen Zusammensetzungen führt.
Buonassisi vergleicht das Entwerfen eines neuen Perowskits mit der Bestellung aus einem Menü. Man wählt eines (oder mehrere) aus jeder Spalte A, Spalte B und Spalte X.
“Man kann mischen und kombinieren”, sagte er, aber bisher konnten alle Variationen nur durch Versuch und Irrtum untersucht werden, da die Forscher kein grundlegendes Verständnis darüber hatten, was in dem Material vor sich geht.
In früheren Forschungsprojekten eines Teams der Schweizer École Polytechnique Fédérale de Lausanne, an der Correa-Baena teilnahm, war festgestellt worden, dass die Zugabe bestimmter Alkalimetalle zum Perowskitmix den Wirkungsgrad des Materials bei der Umwandlung von Sonnenenergie in Elektrizität von etwa 19 Prozent auf etwa 22 Prozent verbessern könnte.
Aber damals gab es keine Erklärung für diese Verbesserung und kein Wissen darüber, was genau diese Metalle innerhalb der Verbindung taten. “Es war nur sehr wenig darüber bekannt, wie sich die Mikrostruktur auf die Performance auswirkt”, sagte Buonassisi.
Nunmehr hat die detaillierte Kartierung mit hochauflösenden Synchrotron-Nanoröntgenfluoreszenzmessungen, die das Material mit einem Strahl von nur einem Tausendstel der Breite eines Haares sondieren können, die Details des Prozesses enthüllt, mit möglichen Hinweisen darauf, wie man die Performance des Materials noch weiter verbessern kann.
Es stellte sich heraus, dass die Zugabe dieser Alkalimetalle, wie z. B. Cäsium oder Rubidium, zur Perowskitverbindung einigen der anderen Bestandteile dabei hilft, sich besser zu vermischen.
Wie das Team beschreibt, tragen diese Additive dazu bei, das Gemisch zu “homogenisieren”, es leichter elektrisch leitfähig zu machen und damit seinen Wirkungsgrad als Solarzelle zu verbessern.
Aber, so fanden sie auch heraus, dass das nur bis zu einem bestimmten Punkt funktioniert. Ab einer bestimmten Konzentration verklumpen diese zugesetzten Metalle und bilden Bereiche, die die Leitfähigkeit des Materials beeinträchtigen und dem anfänglichen Vorteil teilweise entgegenwirken.
Dazwischen befindet sich für jede beliebige Formulierung dieser komplexen Verbindungen der Sweet Spot, der die beste Leistung bietet, die man festgestellt hatte.
“Es ist ein großes Ergebnis”, sagte Correa-Baena, der kürzlich Assistenzprofessor für Materialwissenschaften und Ingenieurwesen an Georgia Tech wurde.
Was die Forscher nach etwa drei Jahren Arbeit am MIT und mit Mitarbeitern der UCSD fanden, war: “Was passiert, wenn man diese Alkalimetalle hinzufügt, und warum sich die Leistung verbessert”.
Sie konnten die Veränderungen in der Zusammensetzung des Materials direkt beobachten und unter anderem diese gegenläufigen Effekte der Homogenisierung und Verklumpung aufzeigen.
“Die Idee ist, dass wir auf der Grundlage dieser Ergebnisse jetzt wissen, dass wir ähnliche Systeme untersuchen sollten, um Alkalimetalle oder andere Metalle hinzuzufügen oder andere Teile des Rezeptes variieren”, sagte Correa-Baena.
Perowskite können zwar große Vorteile gegenüber herkömmlichen Silizium-Solarzellen haben, insbesondere im Hinblick auf die niedrigen Kosten für den Aufbau von Herstellungsanlagen, aber sie erfordern noch weitere Anstrengungen, um ihren Gesamtwirkungsgrad zu erhöhen und ihre Langlebigkeit zu verbessern, die deutlich hinter der von Siliziumzellen zurückbleiben.
Obwohl die Forscher die strukturellen Veränderungen, die beim Hinzufügen verschiedener Metalle im Perowskitmaterial stattfinden, und die daraus resultierenden Performanceänderungen geklärt haben, “verstehen wir die Chemie dahinter immer noch nicht”, sagte Correa-Baena.
Das ist das Thema der laufenden Forschung des Teams. Der theoretische maximale Wirkungsgrad dieser Perowskitsolarzellen liegt laut Correa-Baena bei etwa 31 Prozent und die bisher beste Leistung bei etwa 23 Prozent, sodass ein signifikanter Spielraum für mögliche Verbesserungen bleibt.
Obwohl es Jahre dauern kann, bis Perowskite ihr volles Potenzial bieten können, sind mindestens zwei Unternehmen bereits dabei, Produktionslinien aufzubauen, und sie erwarten, dass sie innerhalb des nächsten Jahres mit dem Verkauf ihrer ersten Module beginnen werden.
Einige davon sind kleine, transparente und farbenfrohe Solarzellen, die in die Fassade eines Gebäudes integriert werden sollen. “Es passiert bereits etwas”, sagte Correa-Baena, “aber es gibt noch viel zu tun, um diese Zellen haltbarer zu machen.”
Sobald Fragen der Serienproduktion, Effizienz und Haltbarkeit geklärt sind, könnten Perowskite zu einem wichtigen Faktor in der Branche der erneuerbaren Energien werden, sagte Buonassisi.
“Wenn es ihnen gelingt, nachhaltige, hocheffiziente Module herzustellen und gleichzeitig die niedrigen Herstellungskosten zu erhalten, könnte sich Vieles grundlegend ändern”, sagte er. “Es könnte den Ausbau der Solarenergie viel schneller ermöglichen, als wir es bisher gesehen haben.”
Perowskit-Solarzellen “sind heute die wichtigsten Kandidaten für die Vermarktung. So trägt die Vermittlung tieferer Erkenntnisse, wie sie in dieser Arbeit geleistet wurden, zur zukünftigen Entwicklung bei”, sagte Michael Saliba, Senior Researcher für Physik der weichen Materie an der Universität Freiburg, Schweiz, der nicht an dieser Forschung beteiligt war.
Saliba weiter: “Das ist eine großartige Arbeit, die Licht auf einige der am häufigsten untersuchten Materialien wirft. Der Einsatz von synchrotronbasierten, neuartigen Techniken in Kombination mit neuartiger Materialtechnik ist von höchster Qualität und verdient es, in einer so hochrangigen Zeitschrift zu erscheinen.”
Er fügte hinzu, dass die Arbeiten in diesem Bereich “rasch voranschreiten”. Daher ist detaillierteres Wissen wichtig, um zukünftige technische Herausforderungen zu bewältigen.
Die Studie, an der auch Forscher der Purdue University und des Argonne National Laboratory sowie des MIT und des UCSD beteiligt waren, wurde vom U.S. Department of Energy, der National Science Foundation, dem Skolkovo Institute of Science and Technology und der California Energy Commission unterstützt.