Geheimnis zur Behandlung der „Achillesferse“ von Perowskit-Alternativen zu Silizium-Solarmodulen gelüftet

Ein Forscherteam aus Großbritannien und Japan hat herausgefunden, dass die winzigen Defekte, die die Effizienz von Perowskiten – billigeren alternativen Materialien für Solarzellen – einschränken, auch für strukturelle Veränderungen im Material verantwortlich sind, die zu einer Degradation führen.

Die Forscher verwendeten eine Kombination von Techniken, um den Alterungsprozess unter Sonnenlicht nachzuahmen und Veränderungen in den Materialien im Nanomaßstab zu beobachten, was ihnen dabei half, neue Einblicke in die Materialien zu gewinnen, die auch Potenzial für optoelektronische Anwendungen wie energieeffiziente LEDs und Röntgen zeigen Detektoren, sind jedoch in ihrer Lebensdauer begrenzt.

Ihre Ergebnisse, berichtet in der Zeitschrift Naturkönnte die Entwicklung langlebiger, kommerziell erhältlicher Perowskit-Photovoltaik deutlich beschleunigen.

Perovksite sind reichlich vorhanden und viel billiger zu verarbeiten als kristallines Silizium. Sie können in einer flüssigen Tinte hergestellt werden, die einfach gedruckt wird, um einen dünnen Film des Materials zu erzeugen.

Während die Gesamtenergieausbeute von Perowskit-Solarzellen oft die mit herkömmlicher Silizium-Photovoltaik erreichbare Leistung erreichen oder – im Fall von mehrschichtigen „Tandem“-Geräten – übertreffen kann, ist die begrenzte Langlebigkeit der Geräte ein Haupthindernis für ihre kommerzielle Lebensfähigkeit.

Ein typisches Silizium-Solarmodul, wie Sie es vielleicht auf dem Dach eines Hauses sehen, hält in der Regel etwa 20 bis 25 Jahre ohne nennenswerte Leistungseinbußen.

Da Perowskit-Geräte viel billiger herzustellen sind, müssen sie möglicherweise nicht so lange leben wie ihre Silizium-Pendants, um auf einigen Märkten Fuß zu fassen. Aber um ihr ultimatives Potenzial zur Verwirklichung einer weit verbreiteten Dekarbonisierung auszuschöpfen, müssen Zellen mindestens ein Jahrzehnt oder länger betrieben werden. Forscher und Hersteller müssen noch ein Perowskit-Gerät mit ähnlicher Stabilität wie Siliziumzellen entwickeln.

Jetzt haben Forscher der University of Cambridge und des Okinawa Institute of Science and Technology (OIST) in Japan das Geheimnis der Behandlung der „Achillesferse“ von Perowskiten entdeckt.

Unter Verwendung eines Werkzeugkastens von hochauflösenden Techniken in Zusammenarbeit mit der Diamond Light Source Synchrotron-Einrichtung und dem Electron Physical Sciences Imaging Centre (ePSIC) in Didcot und dem Department of Materials Science and Metallurgy in Cambridge konnte das Team die beobachten nanoskalige Eigenschaften dieser dünnen Filme und wie sie sich im Laufe der Zeit unter Sonneneinstrahlung verändern.

Frühere Arbeiten des Teams mit ähnlichen Techniken haben die Defekte beleuchtet, die Mängel in der Leistung von Perowskit-Photovoltaik verursachen – sogenannte Ladungsträgerfallen.

„Indem wir die Perowskit-Filme im Laufe der Zeit beleuchten und die Alterung von Solarzellengeräten simulieren, stellen wir fest, dass die interessanteste Dynamik an diesen nanoskopischen Fallenclustern auftritt“, sagte Co-Autor Dr. Stuart Macpherson vom Cavendish Laboratory in Cambridge.

„Wir wissen jetzt, dass die Veränderungen, die wir sehen, mit der Photodegradation der Filme zusammenhängen. Dadurch können effizienzbegrenzende Ladungsträgerfallen jetzt direkt mit dem ebenso entscheidenden Problem der Langlebigkeit von Solarzellen in Verbindung gebracht werden.“

„Es ist ziemlich aufregend“, sagte Co-Autor Dr. Tiarnan Doherty vom Cambridge Department of Chemical Engineering and Biotechnology und dem Murray Edwards College, „denn es deutet darauf hin, dass Sie sich gleichzeitig verbessern werden, wenn Sie die Bildung dieser Oberflächenfallen angehen können Leistung und die Stabilität der Geräte im Laufe der Zeit.“

Durch die Abstimmung der chemischen Zusammensetzung und der Bildung des Perowskitfilms bei der Herstellung der Geräte haben die Forscher gezeigt, dass es möglich ist, zu steuern, wie viele dieser schädlichen Phasen sich bilden und wie lange das Gerät hält.

„Die stabilsten Geräte scheinen zufälligerweise die Dichte schädlicher Phasen durch subtile Zusammensetzungs- und Strukturmodifikationen zu verringern“, sagte Doherty. „Wir hoffen, dass dieses Papier einen rationaleren, gezielteren Ansatz dafür aufzeigt und die leistungsstärksten Geräte mit maximaler Stabilität erreicht.“

Die Gruppe ist optimistisch, dass ihre neuesten Erkenntnisse uns den ersten kommerziell erhältlichen Perowskit-Photovoltaikgeräten noch näher bringen werden.

„Perowskit-Solarzellen stehen kurz vor der Kommerzialisierung, wobei die ersten Produktionslinien bereits Module produzieren“, sagte Dr. Sam Stranks vom Department of Chemical Engineering and Biotechnology in Cambridge, der die Forschung leitete.

„Wir verstehen jetzt, dass alle verbleibenden unerwünschten Phasen – sogar winzige nanoskalige Taschen, die von der Verarbeitung der Zellen zurückbleiben – schlechte Nachrichten für die Langlebigkeit von Perowskit-Solarzellen sind. Die Herstellungsprozesse müssen daher eine sorgfältige Abstimmung der Struktur und Zusammensetzung über einen großen Bereich beinhalten um jede Spur dieser unerwünschten Phasen zu eliminieren – eine noch sorgfältigere Kontrolle, als allgemein für diese Materialien angenommen wird. Dies ist ein großartiges Beispiel für die Grundlagenforschung, die direkt die skalierte Fertigung anleitet.“

„Es war sehr befriedigend zu sehen, dass die Ansätze, die wir in den letzten Jahren am OIST und in Cambridge entwickelt haben, direkte visuelle Darstellungen dieser winzigen unerwünschten Restphasen liefern und wie sie sich im Laufe der Zeit verändern“, sagte Co-Autor Dr. Keshav Dani der Femtosekunden-Spektroskopie-Einheit des OIST. „Die Hoffnung bleibt, dass diese Techniken weiterhin die leistungsbegrenzenden Aspekte von Photovoltaikgeräten aufdecken werden, während wir auf die Untersuchung von Betriebsgeräten hinarbeiten.“

„Eine weitere Stärke von Perowskit-Geräten ist, dass sie in Ländern hergestellt werden können, in denen es keine bestehende Infrastruktur für die Verarbeitung von monokristallinem Silizium gibt“, sagte Macpherson. „Silizium-Solarzellen sind auf lange Sicht billig, erfordern aber einen erheblichen Anfangskapitalaufwand, um mit der Verarbeitung zu beginnen. Aber bei Perowskiten entfallen diese Anschaffungskosten, da sie so einfach in Lösung verarbeitet und gedruckt werden können, wobei viel weniger Material verwendet wird praktikable Option für Länder mit niedrigem und mittlerem Einkommen, die auf Solarenergie umsteigen wollen.“