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Eine neue Art von Solartechnologie schien in den letzten Jahren vielversprechend.Halogenid-Perowskit-Solarzellen sind sowohl leistungsstark als auch kostengünstig für die Erzeugung elektrischer Energie – zwei notwendige Voraussetzungen für jede erfolgreiche Solartechnologie der Zukunft.Aber auch neue Solarzellenmaterialien sollten die Stabilität siliziumbasierter Solarzellen erreichen, die eine Zuverlässigkeit von mehr als 25 Jahren aufweisen.
In neu veröffentlichten Forschungsergebnissen 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 deckt die thermische Instabilität auf, die innerhalb der Grenzflächenschichten der Zellen auftritt, bietet aber auch einen Weg zur Zuverlässigkeit und Effizienz der Halogenid-Perowskit-Solartechnologie.Ihre Forschung, veröffentlicht als Titelgeschichte der ZeitschriftFortgeschrittene Werkstoffeim Dezember 2022 hat unmittelbare Auswirkungen sowohl auf Akademiker als auch auf Branchenexperten, die mit Perowskiten in der Photovoltaik arbeiten, einem Bereich, der sich mit durch Sonnenlicht erzeugten elektrischen Strömen befasst.
Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen versprechen eine hervorragende 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, sogenannten Kationen, zu behandeln.
Diese Kationen sind zu groß, um in das Perowskit-Atomgitter zu passen, und verändern bei der Landung auf dem Perowskit-Kristall die Struktur des Materials an der Grenzfläche, an der sie abgeschieden werden.Die daraus resultierenden Defekte im atomaren Maßstab begrenzen die Wirksamkeit der Stromgewinnung aus der Solarzelle.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 sich auf die langfristige Lebensfähigkeit von Halogenid-Perowskit-Solarzellen auswirken könnte.
„Unsere Sorge war, dass sich der Wiederaufbau der Schnittstellen über längere Zeiträume des Solarzellenbetriebs fortsetzen würde“, sagte Correa-Baena.„Deshalb versuchten wir zu verstehen und zu demonstrieren, wie dieser Prozess im Laufe der Zeit abläuft.“
Um das Experiment durchzuführen, erstellte das Team ein Mustersolargerät unter Verwendung typischer Perowskitfilme.Das Gerät verfügt über acht unabhängige Solarzellen, die es den Forschern ermöglichen, zu experimentieren und Daten basierend auf der Leistung jeder Zelle zu generieren.Sie untersuchten, wie sich die Zellen sowohl mit als auch ohne Kationenoberflächenbehandlung verhalten würden, und untersuchten die kationenmodifizierten Grenzflächen jeder Zelle vor und nach längerer thermischer Belastung mithilfe synchrotronbasierter Röntgencharakterisierungstechniken.
Zunächst setzten die Forscher die vorbehandelten Proben 100 Grad ausCelsius40 Minuten lang und maß dann ihre Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie.Mithilfe einer weiteren Röntgentechnik untersuchten sie zudem genau, welche Kristallstrukturen sich auf der Filmoberfläche bilden.Durch die Kombination der Informationen aus den beiden Werkzeugen konnten die Forscher visualisieren, wie die Kationen in das Gitter diffundieren und wie sich die Grenzflächenstruktur bei Hitzeeinwirkung verändert.
Um zu verstehen, wie sich die kationeninduzierten Strukturänderungen auf die Leistung von Solarzellen auswirken, verwendeten die Forscher anschließend in Zusammenarbeit mit Carlos Silva, Professor für Physik und Chemie an der Georgia Tech, Anregungskorrelationsspektroskopie.Die Technik setzt die Solarzellenproben sehr schnellen Lichtimpulsen aus und erfasst die Intensität des von der Folie nach jedem Impuls emittierten Lichts, um zu verstehen, wie Energie aus dem Licht verloren geht.Mithilfe der Messungen können die Forscher verstehen, welche Arten von Oberflächendefekten die Leistung beeinträchtigen.
Schließlich korrelierte das Team die Veränderungen in der Struktur und den optoelektronischen Eigenschaften mit den Unterschieden in der Effizienz der Solarzellen.Sie untersuchten auch die durch hohe Temperaturen hervorgerufenen Veränderungen in zwei der am häufigsten verwendeten Kationen und beobachteten die Unterschiede in der Dynamik an ihren Grenzflächen.
„Unsere Arbeit hat gezeigt, dass die Behandlung mit bestimmten Kationen zu einer besorgniserregenden Instabilität führt“, sagte Carlo Perini, Forscher im Labor von Correa-Baena und Erstautor der Arbeit.„Aber die gute Nachricht ist, dass wir mit der richtigen Entwicklung der Schnittstellenschicht in Zukunft eine verbesserte Stabilität dieser Technologie erleben werden.“
Die Forscher fanden heraus, dass sich die Struktur und Zusammensetzung der Oberflächen von Metallhalogenid-Perowskitfilmen, die mit organischen Kationen behandelt wurden, unter thermischer Belastung ständig weiterentwickelt.Sie erkannten, dass die daraus resultierenden Veränderungen auf atomarer Ebene an der Grenzfläche zu einem erheblichen Verlust der Leistungsumwandlungseffizienz in Solarzellen führen können.Darüber hinaus fanden sie heraus, dass die Geschwindigkeit dieser Veränderungen von der Art der verwendeten Kationen abhängt, was darauf hindeutet, dass stabile Grenzflächen mit einer angemessenen Manipulation der Moleküle erreichbar sein könnten.
„Wir hoffen, dass diese Arbeit Forscher dazu zwingen wird, diese Schnittstellen bei hohen Temperaturen zu testen und nach Lösungen für das Problem der Instabilität zu suchen“, sagte Correa-Baena.„Diese Arbeit sollte Wissenschaftlern den richtigen Weg weisen, in einen Bereich, auf den sie sich konzentrieren können, um effizientere und stabilere Solartechnologien zu entwickeln.“