Neue Entdeckungen über ein vielversprechendes Solarzellenmaterial dank eines neuen Mikroskops

23.11.2022 - USA

Ein Team von Wissenschaftlern des Ames National Laboratory des US-Energieministeriums hat ein neues Charakterisierungsinstrument entwickelt, mit dem sie einen einzigartigen Einblick in ein mögliches alternatives Material für Solarzellen gewinnen konnten. Unter der Leitung von Jigang Wang, einem leitenden Wissenschaftler des Ames Lab, entwickelte das Team ein Mikroskop, das Terahertz-Wellen zur Erfassung von Daten über Materialproben nutzt. Mit dem Mikroskop untersuchte das Team dann Methylammonium-Blei-Iodid (MAPbI3) Perowskit, ein Material, das Silizium in Solarzellen ersetzen könnte.

U. S. Department of Energy Ames National Lab

Visualisierung der Mikroskopspitze, die Material mit Terahertz-Licht bestrahlt. Die Farben auf dem Material stellen die Lichtstreuungsdaten dar, und die roten und blauen Linien die Terahertz-Wellen.

Richard Kim, ein Wissenschaftler des Ames Lab, erläuterte die beiden Merkmale, die das neue Rastersondenmikroskop einzigartig machen. Erstens nutzt das Mikroskop den Terahertz-Bereich der elektromagnetischen Frequenzen, um Daten über Materialien zu sammeln. Dieser Bereich liegt weit unterhalb des sichtbaren Lichtspektrums und fällt zwischen die Infrarot- und Mikrowellenfrequenzen. Zweitens wird das Terahertz-Licht durch eine scharfe Metallspitze gelenkt, die die Fähigkeiten des Mikroskops in Richtung Nanometer-Längenskala erweitert.

"Normalerweise kann man mit einer Lichtwelle keine Dinge sehen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, das man verwendet. Und bei diesem Terahertz-Licht beträgt die Wellenlänge etwa einen Millimeter, ist also ziemlich groß", erklärt Kim. "Aber hier haben wir diese scharfe Metallspitze mit einer Spitze verwendet, die mit einem Radius von 20 Nanometern gekrümmt ist, und das fungiert als unsere Antenne, um Dinge zu sehen, die kleiner sind als die Wellenlänge, die wir verwenden."

Mit diesem neuen Mikroskop untersuchte das Team ein Perowskit-Material, MAPbI3, das in letzter Zeit für Wissenschaftler als Alternative zu Silizium in Solarzellen interessant geworden ist. Perowskite sind eine besondere Art von Halbleitern, die eine elektrische Ladung transportieren, wenn sie sichtbarem Licht ausgesetzt werden. Die größte Herausforderung bei der Verwendung von MAPbI3 in Solarzellen besteht darin, dass es sich leicht zersetzt, wenn es Elementen wie Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

Laut Wang und Kim erwartete das Team, dass sich MAPbI3 wie ein Isolator verhält, wenn es mit Terahertz-Licht bestrahlt wird. Da die an einer Probe gesammelten Daten Aufschluss darüber geben, wie das Licht gestreut wird, wenn das Material den Terahertz-Wellen ausgesetzt wird, erwarteten sie eine gleichmäßig geringe Lichtstreuung im gesamten Material. Sie stellten jedoch fest, dass die Lichtstreuung entlang der Grenzflächen zwischen den Körnern stark variierte.

Kim erläuterte, dass leitfähige Materialien wie Metalle eine hohe Lichtstreuung aufweisen, während weniger leitfähige Materialien wie Isolatoren eine geringere Streuung aufweisen. Die große Variation der Lichtstreuung, die entlang der Korngrenzen von MAPbI3 festgestellt wurde, wirft ein Licht auf das Problem der Degradation des Materials.

Im Laufe einer Woche sammelte das Team weiterhin Daten über das Material, und die in dieser Zeit gesammelten Daten zeigten den Degradationsprozess anhand der Veränderungen in den Lichtstreuungswerten. Diese Informationen können nützlich sein, um das Material in Zukunft zu verbessern und zu manipulieren.

"Wir glauben, dass die vorliegende Studie ein leistungsfähiges Mikroskopiewerkzeug zur Visualisierung, zum Verständnis und zur potenziellen Abschwächung von Korngrenzendegradation, Defektfallen und Materialdegradation demonstriert", so Wang. "Ein besseres Verständnis dieser Probleme könnte die Entwicklung hocheffizienter photovoltaischer Geräte auf Perowskit-Basis für viele Jahre ermöglichen."

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