Nicht so unschuldig wie es scheint

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Wasserstoff für die Leistung von Perowskiten im Auge behalten

Forscher der Materialabteilung des College of Engineering der University of California Santa Barbara (UCSD) haben eine wesentliche Ursache für Einschränkungen des Wirkungsgrads in einer neuen Generation von Solarzellen aufgedeckt. Sie entdeckten, dass Wasserstoff eine führende Rolle bei der Bildung von Defekten in einer Perowskitschicht spielt, die deren Leistung als PV-Geräte einschränken. Die Entdeckung, so die Forscher, bietet weitere Einblicke in bereits durch Versuch und Irrtum ermittelte Beobachtungen und könnte dazu beitragen, die bereits beeindruckenden Wirkungsgradleistungen von Perowskiten noch weiter zu steigern.

Künstlerische Konzeptdarstellung: Wasserstofflücke (schwarzer Fleck links von der Mitte), die durch das Entfernen von Wasserstoff aus einem Methylammoniummolekül entsteht, Ladungsträger im prototypischen Hybrid-Perowskit, Mehtylammonium-Bleijodid CH3NH3Pbl3, einfängt und den Wirkungsgrad von Perowskiten auf Methylammonium-Basis reduziert – lllustration © Xie Zhang, engineering.ucsb.edu

 

In der Silizium-Photovoltaik ist das Verständnis der Rolle, die Wasserstoff bei einigen der langfristigen Degradationsmechanismen spielt, von denen bekannt ist, dass sie die PV-Zellen beeinträchtigen, eine der größten Herausforderungen für die Forscher, die daran arbeiten, noch weitere Leistungssteigerungen aus den bereits führenden kommerziellen PV-Zelltechnologien zu erzielen.

Perowskite haben schnell Wirkungsgrade erreicht, die mit denen von Silizium konkurrieren, und Tandemzellen, die beide Technologien enthalten, haben das Potenzial für Wirkungsgrade nahe der 30 %-Marke gezeigt. Allerdings sind Perowskite von Degradationsmechanismen und leistungsbegrenzenden Defekten betroffen, die weniger gut erforscht sind als einige der Defekte in Silizium, was ihre kommerzielle Nutzung weiterhin einschränkt.

Neue Forschungsergebnisse von Wissenschaftlern unter der Leitung der University of California Santa Barbara (UCSD) zeigen, dass Wasserstoff eine Schlüsselrolle bei der Bildung von Defekten in Perowskit-Filmen spielt – insbesondere in Methylammonium-Bleijodid, dem Material, das bisher die meisten Wirkungsgradrekorde für Perowskit-Solarzellen aufgestellt hat.

Modernste Berechnungen haben ergeben, dass fehlende Wasserstoffatome in diesen Molekülen zu massiven Effizienzverlusten führen können. Die Ergebnisse sind in Nature Materials vom 29.04.2021 unter dem Titel „Minimizing hydrogen vacancies to enable highly efficient hybrid perovskites“ veröffentlicht.

„Wir fanden heraus, dass es überraschend einfach ist, eine der Bindungen zu brechen und ein Wasserstoffatom am Methylammonium-Molekül zu entfernen“, erklärt UCSD-Forscher Xie Zhang. „Die resultierende ‚Wasserstoff-Vakanz‘ fungiert dann als Senke für die elektrischen Ladungen, die sich durch den Kristall bewegen, nachdem sie durch das auf die Solarzelle fallende Licht erzeugt wurden. Wenn diese Ladungen an der Leerstelle hängen bleiben, können sie keine nützliche Arbeit mehr verrichten, wie z.B. eine Batterie aufladen oder einen Motor antreiben, daher der Effizienzverlust.“

Die bemerkenswerte photovoltaische Leistung von hybriden Perowskiten hat angesichts ihres Potenzials, die Solarzellentechnologie voranzubringen, für große Aufregung gesorgt. „Hybrid“ bezieht sich auf die Einbettung organischer Moleküle in ein anorganisches Perowskit-Gitter, das eine ähnliche Kristallstruktur wie das Perowskit-Mineral (Kalzium-Titanoxid) aufweist. Die Materialien haben einen ähnlich hohen Wirkungsgrad wie Silizium, sind aber viel billiger in der Herstellung. Es ist jedoch bekannt, dass Defekte im Perowskit-Kristallgitter zu unerwünschter Energieabgabe in Form von Wärme führen, was den Wirkungsgrad begrenzt. Eine Reihe von Forschungsteams haben solche Defekte untersucht, darunter auch die Gruppe des UCSB-Materialienprofessors Chris G. Van de Walle, die kürzlich einen Durchbruch erzielte, indem sie einen schädlichen Defekt an einem Ort entdeckte, an dem niemand zuvor gesucht hatte: auf dem organischen Molekül.

„Methylammonium-Bleijodid ist der prototypische Hybrid-Perowskit“, erklärt Xie Zhang, leitender Forscher des Projekts. „Wir fanden heraus, dass es überraschend einfach ist, eine der Bindungen zu brechen und ein Wasserstoffatom auf dem Methylammonium-Molekül zu entfernen. Die dadurch entstehende ‚Wasserstoff-Vakanz‘ fungiert dann als Senke für die elektrischen Ladungen, die sich durch den Kristall bewegen, nachdem sie durch das auf die Solarzelle fallende Licht erzeugt wurden. Wenn diese Ladungen an der Leerstelle hängen bleiben, können sie keine nützliche Arbeit mehr verrichten, wie z.B. eine Batterie aufladen oder einen Motor antreiben, daher der Effizienzverlust.“

Die Forschung wurde durch fortschrittliche Berechnungsmethoden ermöglicht, die von der Van de Walle-Gruppe entwickelt wurden. Solche hochmodernen Berechnungen liefern detaillierte Informationen über das quantenmechanische Verhalten der Elektronen im Material. Mark Turiansky, ein Senior-Diplomstudent in Van de Walles Gruppe, der an der Forschung beteiligt war, half dabei, ausgefeilte Ansätze zu entwickeln, um diese Informationen in quantitative Werte für die Raten des Ladungsträgereinfangs umzuwandeln. „Unsere Gruppe hat leistungsfähige Methoden entwickelt, um zu bestimmen, welche Prozesse Effizienzverluste verursachen“, sagte Turiansky, und es ist erfreulich, dass der Ansatz so wertvolle Erkenntnisse für eine wichtige Materialklasse liefert.“

„Die Berechnungen wirken wie ein theoretisches Mikroskop, das uns erlaubt, mit viel höherer Auflösung in das Material hineinzuschauen, als es experimentell möglich ist“, erklärt Van de Walle. „Sie bilden auch eine Grundlage für ein rationales Materialdesign. Durch Ausprobieren hat man herausgefunden, dass Perowskite, bei denen das Methylammonium-Molekül durch Formamidinium ersetzt ist, eine bessere Leistung aufweisen. Wir können diese Verbesserung nun darauf zurückführen, dass sich in der Formamidinium-Verbindung weniger leicht Wasserstoffdefekte bilden. Diese Erkenntnis liefert eine klare Begründung für die empirisch etablierte Weisheit, dass Formamidinium essentiell für die Realisierung hocheffizienter Solarzellen ist. Basierend auf diesen grundlegenden Erkenntnissen können die Wissenschaftler, die die Materialien herstellen, Strategien entwickeln, um die schädlichen Defekte zu unterdrücken und so weitere Effizienzsteigerungen in Solarzellen zu ermöglichen.“

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