Hochleistungs-Solarzellen: Physiker bauen stabile Perowskitschichten an

Kristalline Perowskitzellen sind der Schlüssel zu modernsten Dünnschichtsolarzellen. Obwohl sie bereits sehr hohe Wirkungsgrade im Labor erreichen, werden kommerzielle Anwendungen durch die Tatsache behindert, dass das Material zu instabil ist. Darüber hinaus gibt es für Perowskite keinen zuverlässigen industriellen Produktionsprozess. In einer neuen Studie, die im Journal of Physical Chemistry Letters veröffentlicht wurde, präsentieren Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU) einen Ansatz, der dieses Problem lösen könnte. Sie beschreiben auch ausführlich, wie sich Perowskite bilden und zerfallen. Die Ergebnisse könnten in Zukunft helfen, leistungsfähige Solarzellen zu produzieren.

Im Jahr 2009 konnten die Forscher erstmals nachweisen, dass organisch-anorganische Verbindungen mit einer speziellen Perowskit-Kristallstruktur gute Absorber sind, die Sonnenlicht effektiv in Strom umwandeln können. Innerhalb weniger Jahre wurde der Wirkungsgrad von Perowskitsolarzellen im Labor auf deutlich über 20 Prozent gesteigert.

„Obwohl moderne, monokristalline Silizium-Solarzellen etwas bessere Werte erreichen, sind sie viel schwieriger herzustellen, und sie werden schon viel länger entwickelt“, sagt Dr. Paul Pistor, Physiker an der MLU und Hauptautor der Studie. Derzeit gibt es jedoch keine marktreifen Solarzellen auf Perowskitbasis, da es kein etabliertes Verfahren zur großtechnischen Herstellung von Perowskiten gibt. Darüber hinaus sind die dünnen Kristallschichten instabil und empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. „Hohe Temperaturen oder Feuchtigkeit lassen die Perowskite zerfallen und verlieren ihre Fähigkeit, Sonnenlicht in Strom umzuwandeln“, sagt Pistor. Doch Solarzellen müssen erhöhten Temperaturen standhalten, weil sie dauerhaft der Sonne ausgesetzt sind.

In ihrer Studie untersuchten die Halleaner Physiker einen speziellen, anorganischen Perowskit aus Cäsium, Blei und Brom oder Jod. Anstatt die Perowskite mit den üblichen nasschemischen Verfahren herzustellen, haben sie ein in der Industrie bereits weit verbreitetes Verfahren zur Herstellung dünner Schichten und einer Reihe von Komponenten eingesetzt. In einer Vakuumkammer werden Vorläufermaterialien erwärmt, bis sie verdunsten. Dann kondensiert der Perowskit auf einem kälteren Glassubstrat und es entsteht eine dünne kristalline Schicht.

„Der Vorteil dieser Methode ist, dass jeder Teil des Prozesses sehr gut kontrolliert werden kann. Auf diese Weise wachsen die Schichten sehr homogen, und die Dicke und Zusammensetzung der Kristalle lässt sich leicht anpassen“, erklärt Pistor. Sein Team konnte so Perowskitschichten auf Basis von Cäsium herstellen, die sich erst bei Temperaturen von 360 Grad Celsius zersetzten. Mit modernster Röntgenanalyse analysierten die Forscher auch die Wachstums- und Zerfallsprozesse der Kristalle in Echtzeit.

Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über die zugrundeliegenden Eigenschaften von Perowskiten und weisen auf ein Verfahren hin, das für die industrielle Realisierung moderner Solarzellentechnologie auf Perowskitbasis geeignet sein könnte.

Mehr Informationen:
Thomas Burwig et al, Kristallphasen und thermische Stabilität von mitverdampften CsPbX3 (X = I, Br) Dünnschichten, The Journal of Physical Chemistry Letters (2018). DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b02059

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