Gut, billig – und haltbar?

Bleihaltige Perowskite sind der Darling der Solarzellen-Forschung: Das kristalline Material bietet sich für günstige Herstellungsverfahren an und hat mit über zwanzig Prozent einen enorm hohen Wirkungs­grad in vergleichsweise kurzer Zeit erreicht. Ein wesentlicher Nachteil des Materials bleibt jedoch seine Instabilität. Wie sich diese durch geschicktes Dotieren mit Chlorid-Ionen deutlich verringern lässt, zeigte vor kurzem ein Erwin-Schrödinger-Stipendiat in einer Zusammen­arbeit mit Forschern rund um Aaron Fafarman von der Drexel University in Philadelphia, USA.

David Egger, der sein Stipendium zum Aufenthalt am Department of Materials and Interfaces des Weizmann-Instituts für Wissenschaft in Israel nutzt, konnte mit seinen Kollegen zeigen, dass bestimmte Perowskite sich mit Chlorid dotieren lassen und dies die Lebens­dauer des funktionellen Materials unter bestimmten Bedingungen um bis zu zwei Größen­ordnungen steigert.

Dazu Egger: „Wir untersuchten Perowskite aus Cäsium, Blei und Jodid. Ein Problem ist die Stabilität der für Anwendungen interessanten Phase dieses Materials bei praktisch relevanten Bedingungen, bei welchen in einem Phasen­übergang die hervorragenden photo­voltaischen Vorteile sofort verloren gehen."

Tatsächlich gab es bereits Hinweise aus Arbeiten mit Perowskiten, die statt Jodid Chlor-Ionen enthielten und ahnen ließen, dass eine Chlorid-Anreicherung des Materials dessen Stabilität erhöhen würde. Doch stellte sich heraus, dass die Chlorid-Anreicherung von Jodid-haltigen Perowskiten ausgesprochen schwierig ist.

Egger und seine Kollegen wählten einen interdisziplinären Zugang, um dennoch herauszufinden, ob Chlorid sich positiv auf die Stabilität cäsium­haltiger Perowskite auswirken würde. „Einerseits konnten wir mit atomistischen Simulationen zeigen, dass sich Chlorid schnell im Material bewegen kann, leicht in dieses einzubauen ist und dessen Stabilität erhöhen würde. Unsere Kollegen entwarfen schließlich experimentell andererseits einen neuen Herstellungs­prozess, um Chlor ins Material einzubringen, was mit einem chemischen Sinter­prozess auch gelang", erläutert Egger die internationale Zusammen­arbeit zwischen dem Weizmann-Institut in Israel und Forschern der Drexel University und University of Pennsylvania in den USA.

Überrascht war das Forscherteam dann, als es die Stabilität des neu entstandenen Cäsium-Blei-Jodid-Chlorid analysierte. Da die neu­artigen Perowskite oftmals besonders instabil im Kontakt mit Wasser sind, untersuchten sie die Stabilität der neuen Material­mischungen bei verschiedenen Luft­feuchtigkeiten. Tatsächlich zeigte das neue Material bei 54 Prozent relativer Luft­feuchtigkeit eine sechsfach längere Halbwerts­zeit als Kontroll­materialien ohne Chlorid-Dotierung. Bei einer geringeren Luft­feuchtigkeit von elf Prozent verlängerte sich die Halbwerts­zeit sogar weiter. Dazu Egger: „Die Verlängerung der Halbwerts­zeit der für Solar­zellen interessanten Phase war bei elf Prozent Luft­feuchtigkeit so enorm, dass wir innerhalb der durch unsere Geräte­voraussetzungen maximal möglichen 96 Stunden keinen Phasen­übergang des Cäsium-Blei-Jodid-Chlorid mehr messen konnten. Bei undotiertem Material hingegen passierte dies jedoch viel schneller, womit wir eine Verlängerung der Halbwerts­zeit um mindestens zwei Größen­ordnungen bestätigen konnten."

Indem sie Ergebnisse aus Experiment und Theorie erneut kombinierten, bestimmte das Forscher­team dann den Anteil der Chlor-Ionen in dem neu her­gestellten Material und stellte fest, dass eine Anreicherung über zwei Prozent hinaus nicht möglich ist. Damit gibt es jetzt einen neuen Ansatz, um das enorme Potenzial von Solar­zellen auf Perowskit-Basis tatsächlich praktisch nutzbar zu machen.

FWF / DE