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Innovation in der Chemie für leistungsfähigere Perowskit-Solarzellen

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Chemie
erneuerbare Energien

Forscherinnen und Forscher haben ein lästiges Problem gelöst: die Stabilisierung der leistungsfähigsten Zusammensetzung von Perowskit-Folien mit metallischen Halogeniden. Diese wichtigen Elemente werden in zahlreichen Anwendungen und insbesondere in Fotovoltaikzellen eingesetzt.

Perowskite sind eine Klasse von Werkstoffen aus organischem Material, das mit einem Metall verbunden ist. Aufgrund ihrer interessanten Struktur und ihrer attraktiven Eigenschaften stehen sie in der Werkstoffforschung ganz oben. Sie werden für einen Einsatz in zahlreichen Anwendungsbereichen untersucht. Die sehr begehrten Perowskite mit metallischen Halogeniden kommen für den Einsatz in Fotovoltaikzellen, LED-Leuchtmitteln, Lasern und Lichtsensoren in Betracht.

Die Stromausbeute der Perowskit-haltigen Fotovoltaikzellen ist beispielsweise in nur zehn Jahren von 3,8 % auf 25,5 % gestiegen und hat die Dünnschichtzellen einschliesslich der Zellen aus polykristallinem Silizium als wichtigstem Werkstoff auf dem Markt überholt.

«Die Stromausbeute der Perowskit-haltigen Fotovoltaikzellen ist in nur zehn Jahren von 3,8 % auf 25,5 % gestiegen und hat die Dünnschichtzellen überholt.»

Nachhaltig und wirtschaftlich

Perowskite werden in der Regel hergestellt, indem verschiedene Materialien gemischt und in Schichten auf ein transparentes, leitfähiges Substrat aufgetragen werden, wodurch leichte, dünne Folien entstehen. Dieses als «chemische Abscheidung» bezeichnete Verfahren ist nachhaltig und vergleichsweise wirtschaftlich.

Allerdings stellt sich ein Problem: Seit 2014 werden Perowskite mit metallischen Halogeniden durch Mischen der Kationen und Halogeniden mit Formamidin (FAPbI3) hergestellt. Dies hat damit zu tun, dass mit dieser Formel bei den Perowskit-Fotovoltaikzellen eine hohe Stromausbeute erzielt werden kann. Gleichzeitig ist jedoch die stabilste Phase von FAPbI3 fotoinaktiv, d. h. sie reagiert nicht auf Licht, was der Aufgabe als Sonnenkollektor widerspricht. Ausserdem gibt es bei den aus FAPbI3 bestehenden Fotovoltaikzellen langfristige Stabilitätsprobleme.

Unter der Leitung von Michael Grätzel und Anders Hafgeldt haben Forscherinnen und Forscher der EPFL eine Abscheidungsmethode entwickelt, bei der die Probleme von Formamidin beseitigt wurden und die hohe Stromausbeute der Perowskit-haltigen Fotovoltaikzellen beibehalten werden konnte.

Bei diesem neuen Verfahren werden die Werkstoffe zuerst mit Dampf aus Methylammonium-Thiocyanat (MASCN) oder Formamidin-Thiocyanat (FASCN) behandelt. Mit dieser Innovation werden die fotoinaktiven FAPbI3-Perowskit-Folien lichtempfindlich.

«Mit dieser Innovation werden die fotoinaktiven FAPbI3-Perowskit-Folien lichtempfindlich.»

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler haben die neuen FAPbI3-Folien für die Herstellung von Perowskit-Solarzellen verwendet. Diese bieten eine Stromausbeute von über 23 % und sind langfristig betrieblich und thermisch stabil. Ausserdem haben sie in offenen Schaltkreisen (330 mV) nur wenig Spannungsverlust und brauchen lediglich eine geringe Elektrolumineszenz-Einschaltspannung (0,75 V).

Solarzellen aus Perowskit. Bildnachweis: Nripan Mathews (NTU, Singapur)

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