Neue Entdeckungen über ein vielversprechendes Solarzellenmaterial dank neuem Mikroskop

Ein Team von Wissenschaftlern des Ames National Laboratory des Energieministeriums hat ein neues Charakterisierungstool entwickelt, das es ihnen ermöglicht, einzigartige Einblicke in ein mögliches alternatives Material für Solarzellen zu gewinnen. Unter der Leitung von Jigang Wang, leitender Wissenschaftler des Ames Lab, entwickelte das Team ein Mikroskop, das Terahertzwellen verwendet, um Daten über Materialproben zu sammeln. Anschließend untersuchte das Team mit seinem Mikroskop Perowskit aus Methylammoniumbleijodid (MAPbI3), ein Material, das möglicherweise Silizium in Solarzellen ersetzen könnte.

Richard Kim, ein Wissenschaftler von Ames Lab, erklärte die zwei Merkmale, die das neue Rastersondenmikroskop einzigartig machen. Zunächst nutzt das Mikroskop den Terahertz-Bereich elektromagnetischer Frequenzen, um Materialdaten zu sammeln. Dieser Bereich liegt weit unterhalb des sichtbaren Lichtspektrums und fällt zwischen die Infrarot- und Mikrowellenfrequenzen. Zweitens wird das Terahertz-Licht durch eine scharfe Metallspitze gestrahlt, die die Fähigkeiten des Mikroskops auf Längenskalen im Nanometerbereich erweitert.

„Wenn Sie eine Lichtwelle haben, können Sie normalerweise keine Dinge sehen, die kleiner sind als die Wellenlänge des Lichts, das Sie verwenden. Und für dieses Terahertz-Licht beträgt die Wellenlänge etwa einen Millimeter, also ist es ziemlich groß“, erklärte Kim. „Aber hier haben wir diese scharfe Metallspitze mit einer Spitze verwendet, die auf einen Krümmungsradius von 20 Nanometern geschärft ist, und dies fungiert als unsere Antenne, um Dinge zu sehen, die kleiner als die von uns verwendete Wellenlänge sind.“

Mit diesem neuen Mikroskop untersuchte das Team ein Perowskit-Material, MAPbI3, das kürzlich als Alternative zu Silizium in Solarzellen für Wissenschaftler interessant geworden ist. Perowskite sind ein spezieller Halbleitertyp, der eine elektrische Ladung transportiert, wenn er sichtbarem Licht ausgesetzt wird. Die größte Herausforderung bei der Verwendung von MAPbI3 in Solarzellen besteht darin, dass es leicht abgebaut wird, wenn es Elementen wie Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt wird.

Laut Wang und Kim erwartete das Team, dass sich MAPbI3 wie ein Isolator verhält, wenn sie es dem Terahertz-Licht aussetzen. Da die an einer Probe gesammelten Daten ein Messwert dafür sind, wie das Licht gestreut wird, wenn das Material den Terahertz-Wellen ausgesetzt wird, erwarteten sie eine gleichmäßig geringe Lichtstreuung im gesamten Material. Was sie jedoch herausfanden, war, dass die Lichtstreuung entlang der Grenze zwischen den Körnern stark variierte.

Kim erklärte, dass leitfähige Materialien wie Metalle ein hohes Maß an Lichtstreuung hätten, während weniger leitfähige Materialien wie Isolatoren nicht so viel hätten. Die große Variation der Lichtstreuung, die entlang der Korngrenzen in MAPbI3 nachgewiesen wurde, wirft ein Licht auf das Abbauproblem des Materials.

Im Laufe einer Woche sammelte das Team weiterhin Daten über das Material, und die in dieser Zeit gesammelten Daten zeigten den Abbauprozess durch Änderungen der Lichtstreuung. Diese Informationen können nützlich sein, um das Material in Zukunft zu verbessern und zu manipulieren.

„Wir glauben, dass die vorliegende Studie ein leistungsstarkes Mikroskopie-Tool darstellt, um Korngrenzendegradation, Defektfallen und Materialdegradation zu visualisieren, zu verstehen und möglicherweise zu mindern“, sagte Wang. „Ein besseres Verständnis dieser Probleme könnte die Entwicklung hocheffizienter Photovoltaik-Geräte auf Perowskit-Basis für viele Jahre ermöglichen.“

Die Proben von MAPbI3 wurden von der University of Toledo bereitgestellt. Diese Forschung wird in dem Artikel „Terahertz Nanoimaging of Perovskite Solar Cell Materials“ weiter diskutiert, der von Richard HJ Kim, Zhaoyu Liu, Chuankun Huang, Joong-Mok Park, Samuel J. Haeuser, Zhaoning Song, Yanfa Yan, Yongxin Yao, Liang verfasst wurde Luo und Jigang Wang, und veröffentlicht in der ACS Photonik.