13.05.2020

Perowskit-Solarzellen - stabil und bleifrei

Zweidimensionale Struktur mit Zinn statt Blei zeigt hohe Stabilität.

Unter den neuen Materialien für Solarzellen gelten die Halogenid­perowskite als besonders vielver­sprechend. Innerhalb weniger Jahre stieg der Wirkungsgrad solcher Perowskit-Solar­zellen von einigen wenigen Prozent auf über 25 Prozent. Leider enthalten die besten Perowskit-Solar­zellen giftiges Blei, das eine Gefahr für die Umwelt darstellt. Es ist jedoch überraschend schwierig, das Blei durch weniger giftige Elemente zu ersetzen. Eine der besten Alter­nativen ist Zinn. Halogenid­perowskite mit Zinn anstelle von Blei sollten ausge­zeichnete optische Eigen­schaften aufweisen, aber in der Praxis sind ihre Wirkungsgrade mittelmäßig und nehmen schnell ab. Und diese rasche Alterung ist ihr Hauptnachteil: Die Zinnkationen in der Perowskit­struktur reagieren sehr schnell mit Sauerstoff aus der Umgebung, so dass ihre Effizienz abnimmt.

Abb.: Perowskit-Solar­zellen: Verän­derungen in der Struktur von...
Abb.: Perowskit-Solar­zellen: Verän­derungen in der Struktur von FASnI3:PEACl-Filmen während der Behand­lung bei verschie­denen Tempera­turen. (Bild: M. Li, HZB)

Nun hat eine inter­nationale Kooperation unter der Leitung von Antonio Abate vom Helmholtz Zentrum Berlin und Zhao-Kui Wang vom Institut für funk­tionelle Nano- und weiche Materialien der Soochow Universität in China einen Durchbruch erzielt, der einen Weg zu ungiftigen Solar­zellen auf Perowskit­basis eröffnet, die über einen langen Zeitraum stabile Leistung bieten. Sie verwenden ebenfalls Zinn anstelle von Blei, haben jedoch durch Einfügen organischer Gruppen in das Material eine zwei­dimensionale Struktur geschaffen, die zu 2D-Ruddlesden-Popper-Phasen führt.

„Wir verwenden Phenyl­ethylammonium­chlorid (PEACl) als Zusatz zu den Perowskit­schichten. Dann führen wir eine Wärme­behandlung durch, während die PEACl-Moleküle in die Perowskit-Schicht einwandern. Dies führt zu vertikal geordneten Stapeln von zwei­dimensionalen Perowskit-Kristallen", sagt Meng Li, Postdoc in der Gruppe von Abate. In der Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) konnten sie die Morphologie und die Kristall­eigenschaften der Perowskit­filme nach verschiedenen Glüh­behandlungen genau analysieren.

Die besten dieser bleifreien Perowskit-Solar­zellen erreichten einen Wirkungsgrad von 9,1 Prozent und hohe Stabilitäts­werte, sowohl unter Tages­bedingungen als auch im Dunkeln. Die PEACl-Moleküle reichern sich durch die Wärme­behandlung zwischen den kristallinen Perowskit-Lagen an und bilden eine Barriere, die verhindert, dass die Zinn-Kationen oxidieren. „Diese Arbeit ebnet den Weg für effi­zientere und stabilere bleifreie Perowskit-Solar­zellen“ ist Abate überzeugt.

HZB / JOL

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