Bleifreie und stabile Perowskit-Solarzellen

Helmholtz-Zentrum Berlin mit Durchbruch zu ungiftigen Modulen

Die besten Perowskit-Solarzellen schaffen zwar hohe Wirkungsgrade, enthalten aber giftiges Blei. Bleifreie Perowskit-Solarzellen erreichten bislang nur geringe Wirkungsgrade, die zudem schnell abnehmen. Die neue Arbeit einer internationalen Kooperation (unter anderem das Helmholtz-Zentrum Berlin) zeigt nun, wie sich stabile Perowskit-Schichten herstellen lassen, die Zinn anstelle von Blei enthalten. Dabei schützen organische Verbindungen das Zinn vor Oxidation und sorgen für Stabilität. Bereits im November publizierte die Purdue-Universität ebenfalls Erkenntnisse über ungiftige Perowskit-Module.

Unter den neuen Materialien für Solarzellen gelten die Halogenid-Perowskite als besonders vielversprechend. Innerhalb weniger Jahre stieg der Wirkungsgrad solcher Perowskit-Solarzellen von einigen wenigen Prozent auf über 25 %. Leider enthalten die besten Perowskit-Solarzellen giftiges Blei, das eine Gefahr für die Umwelt darstellt. Es ist jedoch überraschend schwierig, das Blei durch weniger giftige Elemente zu ersetzen. Eine der besten Alternativen ist Zinn. Halogenid-Perowskite mit Zinn anstelle von Blei sollten ausgezeichnete optische Eigenschaften aufweisen, aber in der Praxis sind ihre Wirkungsgrade mittelmäßig und nehmen schnell ab. Und diese rasche “Alterung” ist ihr Hauptnachteil: Die Zinn-Kationen in der Perowskitstruktur reagieren sehr schnell mit Sauerstoff aus der Umgebung, so dass ihre Effizienz abnimmt.

Veränderungen in der Struktur von FASnI3:PEACl-Filmen während der Behandlung bei verschiedenen Temperaturen – Bild © Meng Li/HZB

Ungiftige Solarzellen mit stabiler Leistung auf lange Zeit

Nun hat eine internationale Kooperation unter der Leitung von Antonio Abate, Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB), und Zhao-Kui Wang, Institut für funktionelle Nano- und weiche Materialien (Funsom), Soochow Universität, China, einen Durchbruch erzielt, der einen Weg zu ungiftigen Solarzellen auf Perowskitbasis eröffnet, die über einen langen Zeitraum stabile Leistung bieten. Sie verwenden ebenfalls Zinn anstelle von Blei, haben jedoch durch Einfügen organischer Gruppen in das Material eine zweidimensionale Struktur geschaffen, die zu sogenannten 2D-Ruddlesden-Popper-Phasen führt.

“Wir verwenden Phenylethylammoniumchlorid (Peaci) als Zusatz zu den Perowskitschichten. Dann führen wir eine Wärmebehandlung durch, während die Peaci-Moleküle in die Perowskit-Schicht einwandern. Dies führt zu vertikal geordneten Stapeln von zweidimensionalen Perowskit-Kristallen”, erklärt Erstautor Meng Li. Li ist Postdoc in der Gruppe von Abate und hat die enge Zusammenarbeit mit den chinesischen Partnern organisiert. In der Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) konnten sie die Morphologie und die Kristalleigenschaften der Perowskitfilme nach verschiedenen Glühbehandlungen genau analysieren.

Wirkungsgrad derzeit bei 9.1 Prozent

Die besten dieser bleifreien Perowskit-Solarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 9.1 Prozent und hohe Stabilitätswerte, sowohl unter Tagesbedingungen als auch im Dunkeln. Die Peaci-Moleküle reichern sich durch die Wärmebehandlung zwischen den kristallinen Perowskit-Lagen an und bilden eine Barriere, die verhindert, dass die Zinn-Kationen oxidieren. „Diese Arbeit ebnet den Weg für effizientere und stabilere bleifreie Perowskit-Solarzellen“, ist Abate überzeugt.

Purdue-Forscher: “Diese Strukturen sind sehr aufregend”

Im vergangenen November 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 ebenfalls 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.

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