Forschung & Entwicklung

Stabile Perowskitschichten für leistungsfähige Solarzellen

Mit kristallinen Perowskitzellen lassen sich im Labor bereits heute sehr hohe Wirkungsgrade erzielen. Bei der kommerziellen Anwendung gibt es jedoch noch Probleme. Nun wurde ein Ansatz zur Lösung dieses Problems entwickelt.

Perowskite genießen in der Solarbranche aktuell eine große Aufmerksamkeit. Erst im Jahr 2009 gelang Forschern der Nachweis, dass organisch-anorganische Verbindungen mit der speziellen Perowskitkristallstruktur gute Absorber sind, mit deren Hilfe Sonnenlicht effektiv in Strom umgewandelt werden kann. Binnen weniger Jahre wurde der Wirkungsgrad von Perowskitsolarzellen im Labor auf weit über 20 Prozent erhöht. „Moderne, monokristalline Siliziumsolarzellen erreichen zwar noch leicht bessere Werte, sie sind aber deutlich aufwändiger herzustellen und an ihnen wurde auch länger gearbeitet“, sagt Physiker Dr. Paul Pistor von der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg (MLU).

Bislang gibt es aber keine marktreifen Solarzellen auf Perowskitbasis: Noch existiert kein etabliertes Verfahren zur großflächigen Herstellung von Perowskiten. Außerdem sind die dünnen Kristallschichten relativ instabil und empfindlich gegenüber Umwelteinflüssen. Durch hohe Temperaturen oder Feuchtigkeit zersetzen sich die Perowskite und verlieren so die Fähigkeit, Sonnenlicht in elektrische Energie umzuwandeln. Solarzellen müssen allerdings erhöhte Temperaturen aushalten, da sie dauerhaft der Sonne ausgesetzt sind.

Die Physiker aus Halle untersuchten in ihrer Studie einen speziellen, anorganischen Perowskit, das aus Cäsium, Blei und Brom oder Jod besteht. Anstelle der gängigen nasschemischen Verfahren zur Herstellung von Perowskiten setzten sie die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) ein, die in der Industrie bereits vielfach zur Herstellung dünner Schichten und verschiedener Bauelemente verwendet wird. Dabei wurde in einer Vakuumkammer ein Glasubstrat aus heißen PbX2 und CsX (X = I, Br)-Quellen bedampft, auf dem dadurch dünne kristalline CsPbX3 (X = I, Br)-Schichten wachsen. „Der Vorteil dieser Methode ist, dass sich der Verlauf beeinflussen lässt. So können wir das Wachstum der Kristalle gezielt steuern“, erklärt Pistor. Seine Arbeitsgruppe konnte so Perowskitschichten erzeugen, die sich erst bei Temperaturen von 360 Grad Celsius zersetzten. Mithilfe moderner Röntgenanalytik analysierten die Forscher zudem die Wachstums- und Zerfallsprozesse der Kristalle in Echtzeit.

Die Ergebnisse liefern wichtige Erkenntnisse über die grundlegenden Eigenschaften der Perowskite und deuten auf ein Verfahren hin, das womöglich für die industrielle Umsetzung der modernen Perowskit-Solarzelltechnologie in Frage kommt.

von mn

Originalveröffentlichung:

[T. Burwig, W. Fränzel, P. Pistor, Crystal Phases and Thermal Stability of Co-evaporated CsPbX3 (X = I, Br) Thin Films, J. Phys. Chem. Lett. (2018), DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b02059]

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