Die Solarenergie ist eine der vielversprechendsten Lösungen, um unsere Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen zu verringern. Die Effizienz von Solarzellen zu steigern, ist jedoch eine ständige Herausforderung. Perowskit-Solarzellen (PSC) haben die Situation verändert, indem sie schnelle Effizienzverbesserungen und das Potenzial für eine kostengünstige Herstellung mit sich brachten. Allerdings weisen sie immer noch Energieverluste und Probleme mit der Betriebsstabilität auf.
Die Herausforderung durch Perowskite mit großer Bandlücke
Perowskit-Solarzellen, insbesondere solche, die in Tandemkonfigurationen verwendet werden, sind auf Materialien mit großer Bandlücke (WBG) angewiesen - Halbleiter, die Licht höherer Energie ("blaues" Licht) absorbieren, während sie Licht niedrigerer Energie (rot) durchlassen -, um ihren Wirkungsgrad zu maximieren. Perowskitformulierungen mit großer Bandlücke unterliegen jedoch häufig einer Phasensegregation , bei der sich verschiedene Komponenten im Laufe der Zeit voneinander trennen, was zu einer geringeren Leistung führt.Eine Lösung ist die Zugabe von Rubidium (Rb), um die WBG-Materialien zu stabilisieren, aber es gibt einen Haken: Rubidium neigt dazu, unerwünschte sekundäre Phasen zu bilden, was seine Wirksamkeit bei der Stabilisierung der Perowskitstruktur verringert.
Die Lösung der EPFL: Verformung
Wissenschaftler um Lukas Pfeifer und Likai Zheng aus dem Team von Michael Grätzel an der EPFL haben nun einen Weg gefunden, das Rubidium dort zu halten, wo es gebraucht wird. Mithilfe der "Gitterverformung" des Perowskitfilms gelang es ihnen, Rb-Ionen in die Struktur einzubauen, was eine unerwünschte Phasensegregation verhinderte. Dieser neue Ansatz stabilisiert nicht nur das WBG-Material, sondern verbessert auch seine Energieeffizienz, indem er die strahlungslose Rekombination von Ladungsträgern, einen Schlüsselfaktor für Energieverluste, auf ein Minimum reduziert.Die Forscherinnen und Forscher nutzten die Gitterverformung, d. h. eine kontrollierte Verzerrung der Atomstruktur, um das Rubidium im Perowskit-Gitter gefangen zu halten. Um dies zu erreichen, feilten sie an der chemischen Zusammensetzung und passten den Erhitzungs- und Abkühlungsprozess genau an. Ein schnelles Aufheizen und anschließendes kontrolliertes Abkühlen induzierte eine Verformung, wodurch das Rubidium daran gehindert wurde, unerwünschte Sekundärphasen zu bilden, und sichergestellt wurde, dass es in der Struktur eingebettet blieb.
Überprüfung und Anpassung des Ansatzes
Um diesen Effekt zu bestätigen und zu verstehen, verwendete das Team Röntgenbeugung zur Analyse der strukturellen Veränderungen, Festkörper-Kernspinresonanz zur Verfolgung der atomaren Position des Rubidiums und Computermodelle zur Simulation der Wechselwirkung der Atome unter verschiedenen Bedingungen. Diese Techniken lieferten eine detaillierte Darstellung, wie die Deformation die Einlagerung von Rubidium stabilisierte.Neben der Gitterverzerrung fanden die Wissenschaftler auch heraus, dass die Einführung von Chloridionen entscheidend für die Stabilisierung des Gitters ist, indem sie die Größenunterschiede zwischen den eingebauten Elementen ausgleicht. Dies führte zu einer gleichmäßigeren Verteilung der Ionen, weniger Defekten und einer besseren Gesamtstabilität des Materials.
Was ist das Ergebnis? Ein einheitlicheres Material mit weniger Defekten und einer stabileren elektronischen Struktur. Die neue Perowskit-Zusammensetzung, die mit verformungsstabilisiertem Rubidium verstärkt wurde, erreichte eine Leerlaufspannung von 1,30 V, was 93,5 % ihrer theoretischen Grenze entspricht. Dies ist einer der niedrigsten Energieverluste, die jemals bei WBG-Perowskiten gemessen wurden. Darüber hinaus zeigte das modifizierte Material eine Verbesserung der Photolumineszenz-Quantenausbeute (PLQY), was darauf hindeutet, dass Sonnenlicht effizienter in Elektrizität umgewandelt wird.
Auswirkungen auf erneuerbare Energien
Die Verringerung der Energieverluste in Perowskit-Solarzellen könnte zu effizienteren und kostengünstigeren Solarpanels führen. Dies ist besonders wichtig für Tandemsolarzellen, bei denen Perowskite mit Silizium kombiniert werden, um ihre Effizienz zu maximieren.Die Ergebnisse haben auch Auswirkungen über die Solarzellen hinaus. Perowskite werden für LEDs, Sensoren und andere optoelektronische Anwendungen in Betracht gezogen. Durch die Stabilisierung von WBG-Perowskiten könnte die Forschung der EPFL dazu beitragen, die Kommerzialisierung dieser Technologien zu beschleunigen.
