Neue Perowskit-Solarzelle – bleifrei

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Ein neuartiges Material für Solarzellen der nächsten Generation erübrigt den Einsatz von Blei. Perowskitzellen stehen zwar seit dem ersten Einsatz des Materials 2009 im Mittelpunkt der Aufmerksamkeit und sind effizienter als aktuelle Solarmodule. Die erfassen durchschnittlich 15% bis 18% der Sonnenenergie, während Perowskitsolarzellen bereits einen Wirkungsgrad von bis zu 28% erreichen. Aber es gibt große Hindernisse für die kommerzielle Nutzung dieser Materialien: Die Materialien sind nicht stabil und enthalten wasserlösliches Blei – eine Gesundheitsgefährdung.

Jetzt hat ein Team von Wissenschaftlern und Ingenieuren unter der Leitung von Letian Dou, Assistenzprofessor für Chemieingenieurwesen an der Purdue University, ein sandwichartiges Material entwickelt, das organische und anorganische Materialien enthält, um eine Hybridstruktur zu bilden, die kein Blei verwendet und eine deutlich verbesserte Stabilität aufweist. “Diese Strukturen sind sehr aufregend”, sagte Dou. “Die Sandwichstrukturen sind wie Halbleiter-Quantentöpfe, die heute in vielen elektronischen und optoelektronischen Geräten weit verbreitet sind, aber sie sind viel einfacher herzustellen und fehlerunempfindlicher.” Die Studie wurde am 11.11.2019 in der Zeitschrift Nature Chemistry (s.u.) veröffentlicht.

In einem im September im Journal of the American Chemical Society veröffentlichten Beitrag hatten die Wissenschaftler das Material in einen Feldeffekttransistor, wesentlicher Bestandteil vieler elektronischer Geräte, eingebaut. Yao Gao, Hauptautor beider Forschungsarbeiten und Postdoc in Dou’s Forschungsgruppe, sagte, dass die neuen organisch-anorganischen hybriden Perowskitmaterialien billiger sind und eine bessere Leistung erbringen als ein herkömmlicher anorganischer Halbleiter. Außerdem, so Gao, könnte die Designstrategie des neuen Materials als Blaupause für viele andere funktionale Hybridmaterialien dienen. “Solarzellen, wie viele Menschen gezeigt haben, können sehr effizient sein”, sagte er. “Mit unserer neuen Technologie können wir die hybriden Perowskitmaterialien an sich stabiler machen. Durch den Ersatz des giftigen Bleis sind diese neuen Materialien umweltfreundlicher und können auch sicher für bioelektronische Sensoren am Körper verwendet werden.”

ABSTRACT

“Halbleiterquantenvertiefungen und -übergitter sind Schlüsselbausteine in der modernen Optoelektronik, aber es ist schwierig, gleichzeitig ein fehlerfreies epitaktisches Wachstum und die Feinabstimmung der chemischen Zusammensetzung, der Schichtdicke und der Bandstruktur jeder Schicht zu realisieren, um die gewünschte Leistung zu erreichen. Hier zeigen wir die Modulation der elektronischen Struktur und damit der optischen Eigenschaften von organischen halbleitenden Bausteinen, die zwischen den Schichten von Perowskiten durch einen einfachen Lösungsverarbeitungsschritt integriert sind. Die starke Selbstaggregation der konjugierten organischen Moleküle kann durch Funktionalisierung mit sterisch anspruchsvollen Gruppen unterdrückt werden, und es werden monokristalline organische Perowskit-Hybrid-Quantentöpfe (bis hinunter zu einer Zelldicke von einer Einheit) erhalten. Der Energie- und Ladungstransfer zwischen benachbarten organischen und anorganischen Schichten erwies sich dank der atomar flachen Grenzfläche und des extrem kleinen Zwischenschichtabstandes der Perowskitmaterialien als schnell und effizient. Die resultierenden 2D-Hybrid-Perowskite sind durch den Schutz der sperrigen hydrophoben organischen Gruppen sehr stabil.”

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