Forschende entwickeln neue Methode, um Effizienz von Perowskit-Solarzellen auf 26 % zu steigern

Forschende haben eine neue Methode entwickelt, um die Effizienz und Haltbarkeit von Perowskit-Solarzellen durch Kontrolle des Kristallisationsprozesses des Materials zu verbessern. Die Studie zeigt, dass eine vorübergehende Flüssigphase dabei helfen kann, größere, gleichmäßigere Kristalle zu erzeugen und Defekte zu reduzieren. Das Team wurde gemeinsam von Forschenden der University of California, San Diego (UC San Diego) geleitet, die diese Methode nutzten, um auf Perowskit basierende Solarzellen und Leuchtdioden zu verbessern. Diese Geräte erreichten Effizienzen von etwa 24 % bis 26 %, was zu den höchsten gemeldeten Werten für Perowskit-Geräte zählt.

Solarzellen, die mit dieser Technik hergestellt wurden, behielten nach acht Wochen kontinuierlichem Betrieb unter simuliertem Sonnenlicht den größten Teil ihrer ursprünglichen Effizienz bei. Die Flüssigphase unterstützt das Kristallwachstum, und Perowskit-Materialien tragen dazu bei, Solartechnologie wirtschaftlicher zu machen und hohe Effizienzen zu bieten. Diese Materialien können aus flüssigen Lösungen verarbeitet und in Dünnschichtform abgeschieden werden, was im Vergleich zu herkömmlichen Silizium-Solarzellen den für die Herstellung erforderlichen Energieaufwand und die Komplexität verringern könnte. Die Produktion hochwertiger Perowskit-Dünnschichten bleibt jedoch eine Herausforderung. Diese Schichten enthalten typischerweise viele kleine Kristalle, und die Grenzen zwischen den Kristallen werden als Korngrenzen bezeichnet. Defekte in diesen Bereichen können zu Energieverlusten führen, die die Geräteleistung mindern. Dieses Problem wird deutlicher, wenn Hersteller versuchen, Solarmodule in größeren Flächen herzustellen, da es schwierig wird, die Effizienz über größere Flächen aufrechtzuerhalten.

Lösung des Kristallwachstumsproblems

Um dieses Problem zu lösen, arbeitete ein von David Fenning, Professor für Chemie und Nanoengineering an der UC San Diego, geleitetes Forschungsteam mit Kollegen der Princeton University und der koreanischen Sungkyunkwan University zusammen. Sie fügten der zur Herstellung eines als Halogenid-Perowskit bezeichneten Materials verwendeten Lösung Zinkbromid und Methylammoniumchlorid hinzu. Beim Erhitzen bildeten diese Additive eine niedrigschmelzende Mischung, ein sogenanntes Eutektikum. Diese Mischung bildet eine vorübergehende Flüssigkeit um die Grenzen der wachsenden Kristalle herum, wodurch sich die Kristalle neu anordnen und eine geordnetere Struktur bilden können.

Bei fortgesetzter Erhitzung verdampft das Methylammoniumchlorid und hinterlässt Zink, das sich an den Kristallgrenzen anreichert. Das verbleibende Zink hilft, elektronische Defekte zu neutralisieren, die die Ladungsbewegung stören könnten. »Wir haben eine neue Methode zur Steuerung des Wachstums von Halogenid-Perowskiten eingeführt, indem wir eine Additivmischung entwickelten, die während des Kristallisationsprozesses aktiv evolviert«, sagt Connor Dolan, Co-Erstautor der Studie und Chemie- und Nanoengineering-Doktorand im Fenning-Labor. »Noch cooler ist, dass das Endprodukt die leistungsbegrenzenden Defekte an den Rändern der kristallinen Körner eliminiert.«

Die Forschenden nutzten fortschrittliche Röntgenbildgebungstechniken, um Veränderungen im Material auf extrem kleiner Skala zu beobachten. Ihre Messungen zeigten, dass der Bereich um die Kristallgrenzen während des Erhitzens ungeordnet und flüssigartig wurde, bevor er nach dem Verdunsten der zusätzlichen Salze und dem Ende des Kristallwachstums in einen geordneten Zustand zurückkehrte. Die Behandlung erzeugte größere Kristalle mit weniger strukturellen Defekten und einer gleichmäßigeren Verteilung der chemischen Eigenschaften. Die Forschenden interessierten sich auch dafür, warum dieser Fest-Flüssig-Fest-Übergang bei derselben Temperatur auftritt.

Potenzial zur Verbesserung der Geräteleistung

Die verbesserte Kristallstruktur führt zu einer besseren Geräteleistung. In Solarzellen regt Sonnenlicht Elektronen an und hinterlässt einige positiv geladene Löcher. Die Lebensdauer dieser Elektron-Loch-Paare hilft anzugeben, wie effektiv das Material die Solarenergieumwandlung unterstützt. »Perowskite, die mit dem eutektisch gebildeten Additiv hergestellt wurden, weisen die längste Lebensdauer von Elektron-Loch-Paaren aller je gemessenen direkten Bandlücken-Halbleiter auf, was das Potenzial dieser Methode zeigt.« Dolan merkt an. Die Forschenden testeten die Methode auch an verschiedenen Perowskit-Zusammensetzungen und stellten fest, dass sie in allen von ihnen untersuchten chemischen Systemen wirksam war.

»Jede Variante, die wir ausprobiert haben, scheint zu funktionieren!« fügt Dolan hinzu. »Ich hoffe, dass dieser Mechanismus die Chance bekommt, wirklich universell zu werden und eine Plattform für weitere Innovationen in der Perowskit-Community zu bieten.« Das Team untersucht derzeit andere eutektische Mischungen, um den Kristallisationsprozess besser zu kontrollieren. Die Forschenden hoffen, dass diese Methode eine umfassendere Strategie zur Herstellung hochwertiger Perowskit-Materialien bieten und die Entwicklung hocheffizienter Solartechnologien unterstützen kann, die in größerem Maßstab gefertigt werden können. Die Studie wurde in der Fachzeitschrift »Science« veröffentlicht.

Parameter	Spezifikation
Effizienz	24% - 26%
Testdauer	acht Wochen

Durchbruch bei der Perowskit-Solarzellentechnologie

Perowskit-Solarzellen erregen aufgrund ihres Potenzials für hohe Effizienz und Wirtschaftlichkeit breite Aufmerksamkeit. Diese Forschung zeigt, dass durch Kontrolle des Kristallisationsprozesses die Leistung der Zellen signifikant gesteigert und Defekte reduziert werden können, was für die Kommerzialisierung der Perowskit-Technologie entscheidend ist. Mit wachsender Nachfrage nach Solartechnologie könnte diese neue Methode zum Schlüssel für die künftige Produktion hocheffizienter Solarzellen werden. Die kontinuierlichen Bemühungen des Forschungsteams zeigen zudem, dass es in der Entwicklung von Perowskit-Materialien noch weiteren Innovationsspielraum gibt.