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 Zutaten für jede erfolgreiche Solartechnologie der Zukunft. Neue Solarzellenmaterialien sollen aber auch an die Stabilität von Solarzellen auf Siliziumbasis heranreichen, die seit mehr als 25 Jahren zuverlässig sind.
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 Zwischenschichten der Zellen auftritt, bietet aber auch einen Weg in Richtung Zuverlässigkeit und Effizienz für die Halogenid-Perowskit-Solartechnologie. Ihre Forschung, veröffentlicht als Titelgeschichte für die Zeitschrift Fortgeschrittene Werkstoffe im Dezember 2022, hat unmittelbare Auswirkungen sowohl auf Akademiker als auch auf Fachleute aus der Industrie, die mit Perowskiten in der Photovoltaik arbeiten, einem Gebiet, das sich mit durch Sonnenlicht erzeugten elektrischen Strömen befasst.
Bleihalogenid-Perowskit-Solarzellen versprechen eine überlegene Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie. Derzeit besteht die häufigste Strategie, um diesen Zellen eine hohe Umwandlungseffizienz zu entlocken, darin, ihre Oberflächen mit großen positiv geladenen Ionen zu behandeln, die als Kationen bekannt sind.
Diese Kationen sind zu groß, um in das Perowskit-Gitter im atomaren Maßstab zu passen, und verändern beim Auftreffen auf dem Perowskit-Kristall die Struktur des Materials an der Grenzfläche, an der sie abgeschieden werden. Die resultierenden Defekte im atomaren Maßstab begrenzen die Wirksamkeit der Stromentnahme aus der Solarzelle. Trotz des Bewusstseins für diese strukturellen Veränderungen 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 Befürchtung war, dass während langer Betriebszeiten der Solarzellen die Rekonstruktion der Grenzflächen andauern würde“, sagte Correa-Baena. „Also haben wir versucht zu verstehen und zu demonstrieren, wie dieser Prozess im Laufe der Zeit abläuft.“
Zur Durchführung des Experiments erstellte das Team ein Beispiel für ein Solargerät unter Verwendung typischer Perowskit-Filme. Das Gerät verfügt über acht unabhängige Solarzellen, die es den Forschern ermöglichen, auf der Grundlage der Leistung jeder Zelle zu experimentieren und Daten zu generieren. Sie untersuchten, wie sich die Zellen sowohl mit als auch ohne die Kationen-Oberflächenbehandlung verhalten würden, und untersuchten die kationenmodifizierten Grenzflächen jeder Zelle vor und nach längerer thermischer Belastung unter Verwendung synchrotronbasierter Röntgencharakterisierungstechniken.
Zunächst setzten die Forscher die vorbehandelten Proben 40 Minuten lang 100 Grad Celsius aus und maßen dann ihre Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung mit Röntgen-Photoelektronenspektroskopie. Sie nutzten auch eine andere Art von Röntgentechnologie, um genau zu untersuchen, welche Art von Kristallstrukturen sich auf der Oberfläche der Folie 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 verändert, wenn sie Hitze ausgesetzt werden.
Um zu verstehen, wie sich die kationeninduzierten strukturellen Veränderungen auf die Solarzellenleistung auswirken, verwendeten die Forscher als Nächstes Anregungskorrelationsspektroskopie in Zusammenarbeit mit Carlos Silva, Professor für Physik und Chemie an der Georgia Tech. 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 Licht verloren geht. Die Messungen ermöglichen den Forschern zu verstehen, welche Arten von Oberflächendefekten die Leistung beeinträchtigen.
Schließlich korrelierte das Team die Änderungen der Struktur und der optoelektronischen Eigenschaften mit den Unterschieden in der Effizienz der Solarzellen. Sie untersuchten auch die durch hohe Temperaturen induzierten Veränderungen in zwei der am häufigsten verwendeten Kationen und beobachteten die Unterschiede in der Dynamik an ihren Grenzflächen.
„Unsere Arbeit hat gezeigt, dass durch die Behandlung mit bestimmten Kationen eine besorgniserregende Instabilität entsteht“, sagte Carlo Perini, ein Forscher im Labor von Correa-Baena und Erstautor der Veröffentlichung. „Aber die gute Nachricht ist, dass wir bei richtiger Konstruktion der Schnittstellenschicht in Zukunft eine verbesserte Stabilität dieser Technologie sehen werden.“
Die Forscher erfuhren, dass sich die Oberflächen von Metallhalogenid-Perowskit-Filmen, die mit organischen Kationen behandelt wurden, unter thermischer Belastung in Struktur und Zusammensetzung weiterentwickeln. Sie sahen, dass die daraus resultierenden Änderungen 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 Änderungen von der Art der verwendeten Kationen abhängt, was darauf hindeutet, dass stabile Grenzflächen mit einer angemessenen Konstruktion der Moleküle in Reichweite sein könnten.
„Wir hoffen, dass diese Arbeit die Forscher dazu zwingen wird, diese Grenzflächen bei hohen Temperaturen zu testen und nach Lösungen für das Problem der Instabilität zu suchen“, sagte Correa-Baena. „Diese Arbeit sollte Wissenschaftler in die richtige Richtung weisen, auf einen Bereich, auf den sie sich konzentrieren können, um effizientere und stabilere Solartechnologien zu bauen.“