"Chaotische" Produktion von Perowskitmaterial erhöht den Wirkungsgrad der Solarzelle
Wissenschaftler der Universität Cambridge, die Perowskit-Materialien für Solarzellen der nächsten Generation und flexible LEDs untersuchen, haben herausgefunden, dass sie effizienter sein können, wenn ihre chemische Zusammensetzung weniger geordnet ist, was die Produktionsprozesse erheblich vereinfacht und die Kosten senkt.
Visualisierung der Akkumulation der Ladungsträger (violett) in den ungeordneten Perowskitstrukturen.
Ella Maru Studio
Die überraschenden Ergebnisse, die in Nature Photonics veröffentlicht wurden, sind das Ergebnis eines Gemeinschaftsprojekts unter der Leitung von Dr. Felix Deschler und Dr. Sam Stranks.
Das am häufigsten verwendete Material für die Herstellung von Solarmodulen ist kristallines Silizium, aber um eine effiziente Energieumwandlung zu erreichen, bedarf es eines teuren und zeitaufwändigen Produktionsprozesses. Das Siliziummaterial muss eine hoch geordnete Waferstruktur aufweisen und ist sehr empfindlich gegenüber Verunreinigungen wie Staub, weshalb es in einem Reinraum hergestellt werden muss.
In den letzten zehn Jahren haben sich Perowskit-Materialien als vielversprechende Alternativen herausgestellt.
Die Bleisalze, mit denen sie hergestellt werden, sind viel reichhaltiger und billiger in der Herstellung als kristallines Silizium, und sie können in einer flüssigen Tinte hergestellt werden, die einfach gedruckt wird, um einen Film aus dem Material zu erzeugen.
Die Komponenten, aus denen der Perowskit hergestellt wird, können so verändert werden, dass die Materialien unterschiedliche Farben und strukturelle Eigenschaften erhalten, z.B. dass die Folien unterschiedliche Farben emittieren oder das Sonnenlicht effizienter sammeln.
Man benötigt nur einen sehr dünnen Film aus diesem Perowskit-Material - etwa tausend Mal dünner als ein menschliches Haar -, um ähnliche Wirkungsgrade wie die derzeit verwendeten Siliziumwafer zu erreichen, was die Möglichkeit eröffnet, sie in Fenster oder flexible, ultraleichte Smartphone-Bildschirme zu integrieren.
"Dies ist die neue Klasse von Halbleitern, die alle diese Technologien revolutionieren könnte", sagte Sascha Feldmann, Doktorand am Cambridge Cavendish Laboratory.
"Diese Materialien zeigen eine sehr effiziente Emission, wenn man sie mit Energiequellen wie Licht anregt oder eine Spannung anlegt, um eine LED zu betreiben.
"Das ist wirklich nützlich, aber es blieb unklar, warum diese Materialien, die wir in unseren Labors so viel grober verarbeiten als diese Reinraum-Siliziumwafer, so gut funktionieren."
Wissenschaftler hatten angenommen, dass sie, wie bei Silizium-Materialien, umso effizienter sein würden, je geordneter sie die Materialien herstellen könnten. Aber Feldmann und ihr Co-Autor Stuart MacPherson waren überrascht, dass das Gegenteil wahr ist.
"Die Entdeckung war wirklich eine große Überraschung", sagt Deschler, der heute eine Emmy-Noether-Forschungsgruppe an der TU München leitet. "Wir machen viel Spektroskopie, um die Wirkungsmechanismen unserer Materialien zu erforschen, und fragten uns, warum diese wirklich recht chemisch unordentlichen Filme so außergewöhnlich gut abschneiden."
"Es war faszinierend zu sehen, wie viel Licht wir aus diesen Materialien in einem Szenario bekommen konnten, in dem wir erwarten würden, dass sie ziemlich dunkel sind", sagte MacPherson, Doktorand im Cavendish Laboratory. "Vielleicht sollten wir nicht überrascht sein, wenn man bedenkt, dass Perowskiten das Regelwerk über Leistung bei Mängeln und Störungen neu geschrieben haben."
Die Forscher entdeckten, dass ihre groben, mehrkomponentigen legierten Präparate die Effizienz der Materialien tatsächlich verbesserten, indem sie viele Bereiche mit unterschiedlichen Zusammensetzungen schufen, die die energetisierten Ladungsträger einfangen konnten, entweder durch Sonnenlicht in einer Solarzelle oder durch elektrischen Strom in einer LED.
"Durch diese grobe Verarbeitung und anschließende Entmischung der chemischen Komponenten entstehen diese Täler und Berge in Energie, in die die Ladungen eindringen und sich konzentrieren können", sagt Feldmann. "Das macht es einfacher, sie für Ihre Solarzelle zu extrahieren, und es ist effizienter, Licht aus diesen Hotspots in einer LED zu erzeugen."
Ihre Ergebnisse könnten einen großen Einfluss auf den Fertigungserfolg dieser Materialien haben.
"Unternehmen, die größere Fertigungslinien für Perowskite bauen wollen, haben versucht, das Problem der Homogenisierung der Folien zu lösen, aber jetzt können wir ihnen zeigen, dass ein einfaches Inkjet-Druckverfahren tatsächlich einen besseren Job machen könnte", sagte Feldmann.
"Die Schönheit der Studie liegt wirklich in der kontraintuitiven Entdeckung, dass einfach zu machen nicht bedeutet, dass das Material schlechter wird, sondern tatsächlich besser sein kann."
"Es ist jetzt eine spannende Herausforderung, Fertigungsbedingungen zu finden, die die optimale Unordnung in den Materialien erzeugen, um eine maximale Effizienz zu erreichen und gleichzeitig die für bestimmte Anwendungen erforderlichen strukturellen Eigenschaften zu erhalten", sagt Deschler.
"Wenn wir lernen können, die Störung noch genauer zu kontrollieren, könnten wir weitere Leistungssteigerungen bei LEDs oder Solarzellen erwarten - und sogar weit über Silizium hinausschieben mit maßgeschneiderten Tandemsolarzellen aus zwei verschiedenen farbigen Perowskitschichten, die zusammen noch mehr Strom aus der Sonne gewinnen können als eine Schicht allein", sagt Dr. Sam Stranks, Universitätsdozent für Energie am Cambridge Department of Chemical Engineering and Biotechnology and the Cavendish Laboratory.
Eine weitere Einschränkung von Perowskit-Materialien ist ihre Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, weshalb die Gruppen auch nach Möglichkeiten suchen, ihre Stabilität zu verbessern.
"Es gibt noch viel zu tun, damit sie auf Dächern so lange halten, wie Silizium es kann - aber ich bin optimistisch", sagte Stranks.
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