Sperrige Zusätze könnten dazu führen, dass billigere Solarzellen länger halten

Sperrige Zusätze könnten dazu führen, dass billigere Solarzellen länger halten

Zeitstempel: 11. Januar 2024, 1:42 Uhr
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11. Januar 2024 (Nanowerk-Neuigkeiten) Ein Einblick in die Prävention Perowskit-Halbleiter Eine an der University of Michigan entdeckte Technologie, die einem schnellen Abbau vorbeugt, könnte dabei helfen, Solarzellen zu ermöglichen, die schätzungsweise zwei- bis viermal günstiger sind als heutige Dünnschicht-Solarmodule. Die Ergebnisse wurden in veröffentlicht Zelle („Molekulares Design von Defektpassivatoren für thermisch stabile Metallhalogenid-Perowskitfilme“). Perowskite können auch mit den in heutigen Solarmodulen vorherrschenden Silizium-basierten Halbleitern kombiniert werden, um „Tandem“-Solarzellen zu schaffen, die den maximalen theoretischen Wirkungsgrad von Silizium-Solarzellen übertreffen könnten. Eine Pinzette hält eine Perowskit-Solarzelle, die wie eine dünne, quadratische Platte aussieht. Die Elektroden der Zelle sehen auf der Zelloberfläche wie silberne Rechtecke aus, und die umgebende schwarze Oberfläche ist der Perowskitfilm Perowskit-Solarzellen wie diese, hergestellt von Xiwen Gongs Gruppe, könnten Solarenergie billiger und umweltfreundlicher machen – aber sie zerfallen schneller als Silizium. In einer in der Fachzeitschrift Matter veröffentlichten Studie entdeckte das Team, wie man die Haltbarkeit des schwarzen Perowskitfilms verlängern kann. (Bild: Zhengtao Hu, Gong Lab, University of Michigan) „Siliziumsolarzellen sind großartig, weil sie sehr effizient sind und sehr lange halten können, aber die hohe Effizienz ist mit hohen Kosten verbunden“, sagte Xiwen Gong, UM-Assistent Professor für Chemieingenieurwesen. „Um hochreines Silizium herzustellen, sind Temperaturen über 1,000 Grad Celsius nötig. Sonst wird die Effizienz nicht so gut sein.“ Die hohen Temperaturen gehen mit höheren wirtschaftlichen und ökologischen Kosten einher. Doch während Perowskite bei niedrigeren Temperaturen hergestellt werden können, zersetzen sie sich, wenn sie Hitze, Feuchtigkeit und Luft ausgesetzt werden. Daher ist die Lebensdauer von Perowskit heute zu kurz, um bei Solarmodulen kommerziell konkurrenzfähig zu sein. Gongs Forschung zielt darauf ab, widerstandsfähigere Perowskit-Solarzellen herzustellen, und ihre neueste, in der Fachzeitschrift Matter veröffentlichte Studie legt nahe, dass sperrige „defektberuhigende“ Moleküle die Stabilität und Gesamtlebensdauer der Perowskite am besten erhöhen. Perowskitkristalle enthalten Bleiatome, die nicht vollständig an die anderen Komponenten im Perowskit gebunden sind. Solche „unterkoordinierten Stellen“ sind Defekte, die häufig auf Kristalloberflächen und an Korngrenzen auftreten, wo es zu einem Bruch im Kristallgitter kommt. Diese Defekte behindern die Bewegung von Elektronen und beschleunigen den Zerfall des Perowskit-Materials. Die drei Additivmoleküle sind entlang der gelben Oberfläche der Perowskitkristalle in der Reihenfolge zunehmender Bindungsstellenzahl (Nc), Molekulargewicht (Mw) und sterischer Hinderung angeordnet Das Team von Xiwen Gong entwarf diese drei molekularen Additive, um zu untersuchen, wie sich die Größe und Konfiguration eines Additivs auf die Stabilität von Perowskitfilmen auswirkt, einer Materialklasse, die zur Herstellung hocheffizienter, kostengünstiger Solarzellen verwendet werden könnte. Die Zusätze können verhindern, dass Defekte – die die Effizienz der Solarzellen beeinträchtigen – an Brüchen im Perowskit-Kristallgitter, sogenannten Korngrenzen, entstehen. Das Perowskit-Gitter ist als Anordnung gelber Rauten dargestellt, während die Defektstellen als dunkelblaue gestrichelte Kreise dargestellt sind. Die gestrichelten schwarzen Linien stellen Bindungen dar, die sich möglicherweise zwischen Perowskit und Zusatzstoffen bilden können. Das sperrigste Molekül deckt die meisten Defekte an der Oberfläche der Perowskit-Körner ab und erhöht gleichzeitig die Gesamtgröße der Körner während des Herstellungsprozesses. Größere Perowskitkörner führen zu einer geringeren Dichte der Korngrenzen im gesamten Film, wodurch die Anzahl der Stellen verringert wird, an denen sich Defekte bilden können. (Bild: Carlos A. (Figueroa Morales, Gong Lab, University of Michigan) Ingenieure wissen bereits, dass das Mischen defektberuhigender Moleküle in die Perowskite dazu beitragen kann, das unterkoordinierte Blei einzuschließen und so die Bildung anderer Fehlstellen bei hohen Temperaturen zu verhindern. Bisher wussten die Ingenieure jedoch nicht genau, wie sich ein bestimmtes Molekül auf die Widerstandsfähigkeit von Perowskitzellen auswirkt. „Wir wollten herausfinden, welche Merkmale der Moleküle speziell die Stabilität des Perowskits verbessern“, sagte Hongki Kim, ein ehemaliger Postdoktorand im Chemieingenieurwesen und einer der Erstautoren der Studie. Um das Problem zu untersuchen, entwickelte Gongs Team drei Additive in verschiedenen Formen und Größen und fügte sie dünnen Filmen aus Perowskitkristallen hinzu, die Licht absorbieren und in Elektrizität umwandeln können. Jeder Zusatzstoff enthielt die gleichen oder ähnliche chemische Bausteine, wodurch Größe, Gewicht und Anordnung die Hauptmerkmale waren, die ihn unterschieden. Anschließend maß das Team, wie stark die verschiedenen Zusatzstoffe mit Perowskiten interagierten und dadurch die Bildung von Defekten in den Filmen beeinflussten. Größere Moleküle konnten besser am Perowskit haften, da sie über mehr Bindungsstellen verfügten, die mit Perowskitkristallen interagieren. Dadurch konnten sie die Entstehung von Defekten tendenziell besser verhindern. Doch die besten Zusatzstoffe mussten auch viel Platz beanspruchen. Große, aber dünne Moleküle führten während des Herstellungsprozesses zu kleineren Perowskit-Körnern. Kleinere Körner sind nicht ideal, da sie auch Perowskitzellen mit mehr Korngrenzen oder mehr Bereichen für die Bildung von Defekten erzeugen. Im Gegensatz dazu zwangen sperrige Moleküle die Bildung größerer Perowskitkörner, was wiederum die Dichte der Korngrenzen im Film verringerte. Das Erhitzen der Perowskitfilme auf über 200 Grad Celsius bestätigte, dass voluminöse Zusatzstoffe dazu beitrugen, dass die Filme mehr von ihrer charakteristischen schieferschwarzen Farbe behielten und weniger strukturelle Defekte entwickelten.

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