Leistungsfähige und haltbare Perowskite: Die Oberfläche ist entscheidend
Forschende am MIT haben herausgefunden, dass sich die Oberflächeneigenschaften von Perowskiten verändern lassen. Und gerade die Oberfläche hat einen Einfluss auf Effizienz, Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit. Nach ihrer Ansicht ist es bis zur kommerziellen Anwendung nicht mehr weit.
Ein Forscherteam hat sich mit der Oberflächenstruktur von Perowskiten beschäftigt und einen Weg gefunden, diese zu optimieren.
Foto: Panthermedia.net/aa-w
Aktuell bestehen Solarmodule hauptsächlich aus Silizium oder Cadmiumtellurid. Diese Materialien haben den Vorteil, dass sie lange halten, in der Regel mehr als zwei Jahrzehnte, und dabei auch in ihrer Leistung verhältnismäßig stabil bleiben. Doch Silizium hat nicht nur Vorteile. Es muss einerseits für den Einsatz in Solarmodulen entsprechend gewonnen und bearbeitet werden und andererseits gibt es die meisten Vorkommen in Ländern wie China, Russland und Brasilien. Deshalb wird mit Hochdruck nach Alternativen gesucht. Grundsätzlich hat man eine brauchbare Alternative bereits ausgemacht: Perowskite.
Das effizienteste Silizium-Perowskit PV-Modul der Welt im industriellen Maßstab entwickelt
Das besondere an Perowskiten sind die Kristallstrukturen. Sie sorgen dafür, dass das Material leichter und preiswerter ist und auf nahezu jedes Substrat aufgetragen werden kann, inklusive Papier oder flexiblem Kunststoff. Hinsichtlich der Effizienz sind Perowskite Silizium fast ebenbürtig. Sie wandeln Sonnenlicht ebenso effizient in elektrische Energie um. Allerdings gehen Perowskite auch recht schnell kaputt, innerhalb weniger Monate bis Jahre. Auch bei der Leistung hapert es, denn ihr Wirkungsgrad auf großen Modulflächen ist deutlich geringer.
Nanostruktur von Perowskiten verändern, führt zu mehr Effizienz
Ein Forscherteam am MIT hat sich genau mit diesen zwei Nachteilen beschäftigt – der geringeren Leistung und der kürzeren Haltbarkeit. Ihr Lösungsansatz: die Nanostruktur der Bauelemente verändern. Im Rahmen einer Studie haben die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler ihr Augenmerk auf ein Detail gerichtet, das sie für besonders entscheidend halten. Sie haben die Oberfläche „passiviert“. „Der Schlüssel ist die Identifizierung der Chemie der Grenzflächen, also der Stellen, an denen das Perowskit auf andere Materialien trifft“, erklärt Vladimir Bulovic, Professor am MIT. Gemeint sind damit die Stellen, an denen verschiedene Materialien neben dem Perowskit gestapelt werden, um den Stromfluss durch das Gerät zu erleichtern.
Um dies zu erreichen, haben sie zum Beispiel eine Lösung aufgetragen, die eine dünne Passivierungsschicht erzeugt. Das Ergebnis überzeugte das Team, doch bislang war es ihm nicht möglich, die Hintergründe zu verstehen. Die Studie zeigt nun die physikalischen und wissenschaftlichen Hintergründe auf. Unter leistungsstarken Instrumenten konnten die Forschenden erkennen, dass ein Großteil eines Perowskit-Materials die Form eines perfekt geordneten kristallinen Atomgitters zeigt, die Ordnung an der Oberfläche allerdings zusammenbricht. Es entstehen Leerstellen, wo Atome fehlen, oder zusätzliche Atome ragen heraus. Daraus ergeben sich Defekte, die einen negativen Einfluss auf die Effizient des Materials haben. Durch die Passivierung lassen sich Oberflächen beeinflussen, damit dort trotz vieler Defekte keine Energie verloren geht.
Perowskite mit „Passivierung“ zeigen Wirkungsgrad bis zu 26 Prozent
Zur Passivierung muss man die Oberfläche in Hexylammoniumbroid baden. Dieses Salz bildet eine sehr dünne Schicht auf der Oberfläche und sorgt dann dafür, dass die Defekte dadurch praktisch keine Auswirkungen mehr zeigen. Indem das Brom dann kontrolliert in die dreidimensionale Schicht eindringt, verlieren die Elektronen keine Energie an die Defekte der Oberfläche. Den Forschenden gelang es, diese beiden Effekte in einem einzigen Schritt auszulösen. Die Passivierung verringert also den Energieverlust der Elektronen an der Oberfläche. Diese Verluste reduzieren den Gesamtwirkungsgrad der Umwandlung von Sonnenlicht in Strom, sodass die Verringerung der Verluste den Nettowirkungsgrad der Zellen erhöht.
So lassen sich auch die jüngsten Wirkungsgradrekorde für eine einzelne Perowskit-Schicht erklären, die zwischen 24 und 26 Prozent lagen, während ein theoretisch maximal erreichbarer Wirkungsgrad bei etwa 30 Prozent liegt. In der Photovoltaik-industrie sind Steigerungen um ein paar Prozent extrem viel wert. Das liege vor allem daran, dass sich der Gesamtwirkungsgrad von Silizium-Solarzellen in den vergangenen 30 Jahren nur im geringen Maße verbessert habe. Die Forschenden geben allerdings auch zu bedenken, dass die Rekorde der Perowskite in kontrollierten Laborumgebungen stattfanden, meist mit briefmarkengroßen Proben. Das auf einen kommerziellen Maßstab zu übertragen, werde wohl noch einige Zeit dauern.
Leistungsfähige Perowskite dank optimaler Materialkombinationen
Die Forschenden sind sich trotzdem sicher, dass ihre Erkenntnis nun dazu beitragen kann, große Flächen besser zu gestalten, um diesen passivierenden Effekt zu erreichen. Da es sehr viele verschiedene Arten von Passivierungssalzen und auch von Perowskiten gibt, geht es nun darum die optimalen Materialkombinationen zu finden. Nach Ansicht der Forschenden stünde eine erste praktische Demonstration von Perowskiten in kommerziellen Anwendungen kurz bevor. Sie betrachten das Material allerdings nicht als Konkurrenz zum Silizium, sondern sehen es als Ergänzung, damit sich Solarstrom schneller verbreiten ließe.
An der Studie beteiligten sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des Korea Research Institute of Chemical Technology, der Universität Cambridge, der University of Washington in Seattle und der Sungkyunkwan University in Korea. Die Arbeit wurde vom Tata Trust, dem MIT Institute for Soldier Nanotechnologies, dem U.S. Department of Energy und der U.S. National Science Foundation unterstützt.
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