Chemische Innovation für effizientere Perowskit-Zellen
Perowskite sind eine Klasse aus organischen Materialien, die an ein Metall gebunden sind. Ihre faszinierende Struktur und ihre Eigenschaften haben Perowskite in die vordersten Reihen der Materialforschung gebracht, wo sie für den Einsatz in einem breiten Spektrum von Anwendungen untersucht werden. Besonders beliebt sind Metallhalogenidperowskite, die für den Einsatz in Solarzellen, LED-Leuchten, Lasern und Photodetektoren in Betracht gezogen werden.
So ist beispielsweise der Wirkungsgrad von Perowskit-Solarzellen (PSCs) in nur zehn Jahren von 3,8 % auf 25,5 % gestiegen und übertrifft damit andere Dünnschicht-Solarzellen – einschliesslich des marktführenden polykristallinen Siliziums.
Perowskite werden normalerweise durch Mischen und Schichten verschiedener Materialien auf einem transparenten, leitenden Substrat hergestellt, wodurch dünne, leichte Filme entstehen. Das als «chemische Abscheidung» bezeichnete Verfahren ist nachhaltig und relativ kostengünstig.
Eine Pervoskite-Solarzelle. Kredit: Nripan Mathews NTU, Singapur
Aber es gibt ein Problem. Seit 2014 werden Metallhalogenidperowskite durch Mischen von Kationen oder Halogeniden mit Formamidinium hergestellt (FAPbI3). Der Grund dafür ist, dass diese Rezeptur in Perowskit-Solarzellen zu einer hohen Energieumwandlungseffizienz führt. Gleichzeitig ist aber die stabilste Phase von FAPbI3 photoinaktiv, d.h. sie reagiert nicht auf Licht – das Gegenteil von dem, was ein Solarstrom-Erntemaschine tun sollte. Darüber hinaus zeigen Solarzellen, die mit FAPbI3 hergestellt wurden, Probleme mit der Langzeitstabilität.
Nun haben Forscher unter der Leitung von Michael Grätzel und Anders Hafgeldt an der EPFL eine Abscheidungsmethode entwickelt, die die Formamidinium-Probleme überwindet und gleichzeitig die hohe Umwandlung von Perowskit-Solarzellen beibehält. Die Arbeit wurde in Science veröffentlicht.
Bei der neuen Methode werden die Materialien zunächst mit einem Dampf aus Methylammoniumthiocyanat (MASCN) oder Formamidiniumthiocyanat FASCN behandelt. Dieser innovative Feinschliff macht aus den photoinaktiven FAPbI3-Perowskitfilmen die gewünschten lichtempfindlichen Filme.
Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwendeten die neuen FAPbI3-Filme zur Herstellung von Perowskit-Solarzellen. Die Zellen zeigten einen Wirkungsgrad von mehr als 23 % bei der Energieumwandlung und eine langfristige betriebliche und thermische Stabilität. Sie wiesen auch einen geringen (330 mV) Spannungsverlust bei offenem Stromkreis und eine niedrige (0,75 V) Einschaltspannung der Elektrolumineszenz auf.
abor von Professor Anders Hgfeldt sind Teil des Instituts für Chemische Wissenschaften und Ingenieurwissenschaften (ISIC) der EPFL, das sich in der Fakultät für Grundlagenwissenschaften befindet.
Das Labor von Professor Michael Grätzel und das Labor von Professor Anders Hagfeldt sind Teil des EPFL-Instituts der chemischen Wissenschaft und Technik (ISIC), in der Fakultät für Grundlagenwissenschaften.
