Forscher haben entdeckt, dass die Kanalisierung von Ionen in definierten Bahnen in Perowskit-Materialien die Stabilität und die Betriebsleistung von Perowskit-Solarzellen verbessert. Diese Entdeckung ebnet den Weg für eine neue Generation von leichteren, flexibleren und effizienteren Solarzellentechnologien für den praktischen Einsatz.
Perowskit-Materialien, die durch ihre kristalline Struktur definiert sind, absorbieren Licht besser als Silizium. Das bedeutet, dass Perowskit-Solarzellen dünner und leichter sein können als Silizium-Solarzellen, ohne dass die Fähigkeit der Zelle, Licht in Strom umzuwandeln, beeinträchtigt wird.
„Das öffnet die Tür zu einer Vielzahl neuer Technologien, wie z. B. flexible, leichte Solarzellen oder geschichtete Solarzellen (so genannte Tandems), die weitaus effizienter sein können als die heute in so genannten Solarfarmen eingesetzte Technologie“, sagt Aram Amassian, korrespondierender Autor eines Artikels über die Entdeckung. „Es besteht Interesse an der Integration von Perowskit-Materialien in Silizium-Solarzellentechnologien, was deren Wirkungsgrad von 25 % auf 40 % verbessern würde, während gleichzeitig die bestehende Infrastruktur genutzt werden könnte. Amassian ist Professor für Materialwissenschaft und Technik an der North Carolina State University.
Die Arbeit mit Perowskit-Materialien stellt jedoch eine Herausforderung dar, da es bisher nicht möglich war, die langfristige Betriebsstabilität von Perowskit-Solarzellen zu erhalten. Perowskite sind ionische Materialien, und wenn eine Spannung an ein Perowskit angelegt wird, wandern Ionen durch das Material. Es wird angenommen, dass diese wandernden Ionen zu chemischen und strukturellen Veränderungen im Material beitragen, die das Material letztlich ineffizient und instabil machen. Um praktische Perowskit-Solarzellen herzustellen, müssen die Forscher einen Weg finden, um dieses Problem zu lösen.
„Wir haben keinen Weg gefunden, um zu verhindern, dass sich Ionen durch Perowskit-Materialien bewegen, aber wir haben herausgefunden, dass es möglich ist, diese Ionen in eine sichere Leitung zu lenken, die die strukturelle Integrität oder Leistung des Materials nicht beeinträchtigt“, sagt Amassian. „Das ist ein großer Schritt nach vorn.“
Die sichere Leitung ist in diesem Fall eine so genannte Korngrenze. Perowskitmaterialien sind multikristalline Materialien. Das heißt, wenn man ein Perowskit „züchtet“, bildet sich das Material als eine Reihe von Kristallen – oder „Körnern“ -, die bündig miteinander abschließen. Diese Körner sind für die Absorption von Licht und die Erzeugung der für den elektrischen Strom verantwortlichen Ladungen zuständig.
Jedes dieser Körner hat die gleiche kristalline Struktur, aber die Körner können in leicht unterschiedliche Richtungen ausgerichtet sein. Der Bereich, in dem sich die Körner berühren, wird als Korngrenze bezeichnet.
„Wir haben herausgefunden, dass die Körner besser vor Beeinträchtigungen geschützt sind, wenn sich die Ionen vorwiegend entlang der Korngrenze bewegen“, sagt Erstautor und Mitautor Masoud Ghasemi, ein ehemaliger Postdoc an der NC State, der jetzt als Postdoc an der Penn State forscht. „In Verbindung mit dem, was bereits über Perowskit-Materialien bekannt ist, wird deutlich, dass die Probleme beginnen, wenn die Korngrenzen schwach sind, was es den Ionen leichter macht, in die Körner selbst einzudringen.
Die Entwicklung stärkerer Korngrenzen, die die Körner schützen, ist unerlässlich, um zu verhindern, dass wandernde Ionen und andere schädliche Spezies wie Sauerstoff in die Körner eindringen, und um problematische chemische und strukturelle Veränderungen im Material abzumildern.“
„Dies ist eine wichtige Erkenntnis, denn es gibt etablierte Techniken, mit denen wir Perowskit-Materialien und ihre Korngrenzen entwickeln können; wir können diese Ansätze nun nutzen, um die Körner zu schützen“, sagt Amassian. „Wir zeigen in dieser Arbeit, wie diese Techniken die Korngrenzen stärken. Kurz gesagt, wir wissen jetzt, was getan werden muss, um weitaus stabilere Perowskite herzustellen.“
Die Arbeit kann auch zur Entwicklung effizienterer Energiespeichertechnologien beitragen.
„Diese Arbeit bringt unser grundlegendes Verständnis darüber voran, wie sich Ionen durch jedes kristalline Material bewegen, das Ladungen tragen kann, nicht nur durch Halogenidperowskite“, sagt Amassian. „Wir freuen uns darauf, mit Kollegen, die an der Energiespeicherung arbeiten, darüber zu sprechen, wie dies die Entwicklung von schnelleren Ionenleitern beeinflussen kann.“
