Perowskite, eine „spottbillige“ Alternative zu Silizium, sind gerade viel effizienter geworden

Silizium, das Standard-Halbleitermaterial, das in einer Vielzahl von Anwendungen verwendet wird – Computer-Zentraleinheiten (CPUs), Halbleiterchips, Detektoren und Solarzellen – ist ein reichlich vorhandenes, natürlich vorkommendes Material. Es ist jedoch teuer, es abzubauen und zu reinigen.

Perowskite – eine Materialfamilie, die wegen ihrer kristallinen Struktur Spitznamen trägt – haben sich in den letzten Jahren als ein weitaus kostengünstigerer, ebenso effizienter Ersatz für Silizium in Solarzellen und Detektoren als außerordentlich vielversprechend erwiesen. Nun deutet eine Studie unter der Leitung von Chunlei Guo, Professor für Optik an der University of Rochester, darauf hin, dass Perowskite weitaus effizienter werden könnten.

Forscher synthetisieren Perowskite normalerweise in einem Nasslabor und tragen das Material dann als Film auf ein Glassubstrat auf und untersuchen verschiedene Anwendungen

Guo schlägt stattdessen einen neuartigen, auf Physik basierenden Ansatz vor. Durch die Verwendung eines Substrats aus entweder einer Metallschicht oder abwechselnden Schichten aus Metall und dielektrischem Material – anstelle von Glas – fanden er und seine Co-Autoren heraus, dass sie die Lichtumwandlungseffizienz des Perowskits um 250 % steigern konnten.

Ihre Ergebnisse werden in berichtet Naturphotonik.

„Niemand sonst ist zu dieser Beobachtung in Perowskiten gekommen“, sagt Guo. „Plötzlich können wir eine Metallplattform unter einen Perowskit legen, wodurch die Wechselwirkung der Elektronen innerhalb des Perowskits völlig verändert wird. Daher verwenden wir eine physikalische Methode, um diese Wechselwirkung zu konstruieren.“

Neuartige Perowskit-Metall-Kombination schafft „viel überraschende Physik“

Metalle sind wahrscheinlich die einfachsten Materialien in der Natur, aber sie können dazu gebracht werden, komplexe Funktionen zu übernehmen. Das Guo Lab verfügt über umfangreiche Erfahrung in dieser Richtung. Das Labor hat eine Reihe von Technologien entwickelt, die einfache Metalle pechschwarz, superhydrophil (wasseranziehend) oder superhydrophob (wasserabweisend) umwandeln. Die verbesserten Metalle wurden in ihren jüngsten Studien zur Absorption von Sonnenenergie und zur Wasserreinigung verwendet.

Anstatt einen Weg zur Verbesserung des Metalls selbst vorzustellen, demonstriert das Guo Lab in diesem neuen Artikel, wie das Metall verwendet werden kann, um die Effizienz von Perowskiten zu steigern.

„Ein Stück Metall kann genauso viel Arbeit leisten wie komplexe chemische Verfahrenstechnik in einem Nasslabor“, sagt Guo und fügt hinzu, dass die neue Forschung für die zukünftige Solarenergiegewinnung besonders nützlich sein könnte.

In einer Solarzelle müssen Photonen aus dem Sonnenlicht mit Elektronen interagieren und diese anregen, wodurch die Elektronen ihre Atomkerne verlassen und einen elektrischen Strom erzeugen, erklärt Guo. Idealerweise würde die Solarzelle Materialien verwenden, die schwach sind, um die angeregten Elektronen zurück zu den Atomkernen zu ziehen und den elektrischen Strom zu stoppen.

Guos Labor demonstrierte, dass eine solche Rekombination im Wesentlichen verhindert werden könnte, indem ein Perowskit-Material entweder mit einer Metallschicht oder einem Metamaterial-Substrat kombiniert wird, das aus abwechselnden Schichten aus Silber, einem Edelmetall, und Aluminiumoxid, einem Dielektrikum, besteht.

Das Ergebnis war eine signifikante Reduzierung der Elektronenrekombination durch „viel überraschende Physik“, sagt Guo. Tatsächlich dient die Metallschicht als Spiegel, der umgekehrte Bilder von Elektron-Loch-Paaren erzeugt und die Fähigkeit der Elektronen zur Rekombination mit den Löchern schwächt.

Das Labor war in der Lage, einen einfachen Detektor zu verwenden, um die resultierende 250-prozentige Steigerung der Lichtumwandlungseffizienz zu beobachten.

Bevor Perowskite für Anwendungen praktikabel werden, müssen mehrere Herausforderungen gelöst werden, insbesondere ihre Tendenz, sich relativ schnell zu zersetzen. Derzeit suchen Forscher mit Hochdruck nach neuen, stabileren Perowskit-Materialien.

„Wenn neue Perowskite auftauchen, können wir dann unsere physikbasierte Methode verwenden, um ihre Leistung weiter zu verbessern“, sagt Guo.

Zu den Co-Autoren gehören Kwang Jin Lee, Ran Wei, Jihua Zhang und Mohamed Elkabbash, alle aktuelle und ehemalige Mitglieder des Guo Lab; und Ye Wang, Wenchi Kong, Sandeep Kumar Chamoli, Tao Huang und Weili Yu, alle vom Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics, and Physics in China.