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Jetzt aufgedeckt: Geheimnis der leistungsstarken neuen Solarzellen-Materialien

Zum ersten Mal haben Forscher der Universität von Cambridge herausgefunden, warum die neuen, leistungsstarken Perowskit-Materialien für Solarzellen in ihrer Struktur anscheinend eine so hohe Fehlertoleranz haben. Sie haben dafür verschiedene korrelative, multimodale Mikroskopiermethoden genutzt. Die Besonderheit liegt in der Streifenstruktur der neuen Materialien. Die verblüffenden Ergebnisse wurden in Nature Nanotechnologie veröffentlicht.

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Was sind Perowskit-Materialien?

Für die Herstellung von Solarmodulen ist kristallines Silizium das am häufigsten verwendete Material. Um die erforderliche Zellenstruktur für eine effiziente Energieumwandlung zu erreichen, bedarf es aufwendiger und zeitintensiver Produktionsprozesse.

Ein neuartiges Material, das relativ einfach hergestellt werden kann, ist Perowskit. Die dünnen Schichten können beispielsweise im Druckverfahren aufgebracht werden. Perowskit gilt als vielversprechende Alternative zu kristallinem Silizium. Die für die Herstellung erforderlichen Bleisalze sind viel preiswerter und kommen viel häufiger in der Natur vor als kristallines Silizium.

In einer Art flüssiger Tinte können sie als dünner Film gedruckt werden. Sie eignen sich auch für andere optoelektronische Anwendungen wie Röntgendetektoren oder LEDs.

Überraschende Leistung von Perowskiten

In optoelektronischen Geräten überzeugen Perowskit-Materialien bereits mit einer erstaunlichen Leistung. Umso erstaunlicher ist, dass die Materialien aufgrund ihrer räumlichen Heterogenität in Zusammensetzung und Struktur tiefe Ladungsträgerfallen aufweisen.

Im Normalfall würden diese Defekte im Material die photovoltaische Leistung verringern. Die Wirkungsgrade der neuartigen Perowskit-Materialien sind jedoch nicht mit den kristallinen Silizium-Solarzellen vergleichbar.

Die Forscher der Cambridge-Universität haben bereits bei früheren Arbeiten entdeckt, dass die Leistung der Perowskit-Materialien aufgrund der ungeordneten Struktur sogar gesteigert werden kann. Mit ihrer neuesten Arbeit versuchen sie den Grund dafür zu erklären.

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Komplettes Bild der Landschaft von Perowskit-Materialien

Anhand verschiedener Mikroskopietechnologien konnte die Forschergruppe ein komplettes Bild der optoelektronischen, chemischen und strukturellen Landschaft dieser Materialien rekonstruieren. Die komplexe Wechselwirkung der verschiedenen Faktoren zeigte sich im Nano-Maßstab.

Der Doktorand Kyle Frohna stellte fest, dass parallel zueinander zwei Formen von Störungen bestehen. Die elektronische Störung zeigt sich mit der verringerten Leistung. Die räumliche chemische Störung scheint dieses Manko auszugleichen. Sie ist in diesem Fall die gute Störung, da sie die Ladungsträger von den Fallen wegleitet, die ansonsten darin steckenbleiben würden.

Zur Untersuchung derselben Bereiche der Perowskitschicht haben die Forscher der Universität Cambridge zusammen mit dem Cavendish Labor in Cambridge, der Synchrotronanlage in Didcot und dem Okinawa Institut für Wissenschaft und Technologie in Japan verschiedene mikroskopische Technologien angewandt. Der Vergleich der Ergebnisse aller dieser Methoden ergab ein komplettes Bild der neuartigen Materialien im Nanomaßstab. Die zeitaufwendigen und ressourcenintensiven Untersuchungen wurden jetzt mit hervorragenden Informationen belohnt.

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Verfeinerung der Herstellung von Perowskit-Solarzellen

Die Herstellung von Perowskit-Solarzellen kann anhand der Ergebnisse verfeinert werden, um eine maximale Effizienz zu erzielen. Der schon lange verwendete Begriff Fehlertoleranz konnte mit den Forschungsarbeiten erstmals visualisiert werden. So wird verständlich, was Fehlertoleranz bei diesen Materialien genau bedeutet.

Das Wissen über die gegenseitige Beeinflussung der beiden Störungen ermöglicht eine gezielte Modulation, um die Auswirkungen der negativen Störungen vorteilhaft abzuschwächen. Aufgrund der Ergebnisse der Methodik auf der Nanoskala können die Forscher nun auch andere Arten von Perowskiten untersuchen. Die Nanolandschaft der Halbleiter mit allen ihren Eigenschaften ist aufgrund der Visualisierung jetzt besser verständlich.

Die Ergebnisse der Forschungen zeigten, dass die Perowskite mit ihrer gemischten Zusammensetzungen hohe Leistungen erbringen. Sie zeigten auch Pläne zur Nutzung dieser Unordung für die Entwicklung neuer Halbleiter mit ähnlichen Eigenschaften auf.

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