Salzadditive beheben Perowskit-Kristalldefekte in Solarzellen

Schmelzpunkt senken für ein gleichmäßiges Gitter

Perowskite sind synthetische Kristalle aus sich wiederholenden atomaren Anordnungen, die Licht absorbieren und elektrische Ladungen übertragen; sie sind ein vielversprechendes Erfindungsfeld für die Solartechnik. Wenn sich bei der Herstellung dünne Perowskit-Schichten auf einer Oberfläche abscheiden, entstehen mikroskopische Strukturlücken, die Ladungen einfangen und die Lebensdauer verkürzen, wie Interesting Engineering berichtet.

Um diesem Problem entgegenzuwirken, führte das Forschungsteam zwei spezifische chemische Additive ein: Zinkbromid und Methylammoniumchlorid. Die Salze wirken über ein flüchtiges eutektisches Verfahren und senken den Schmelzpunkt der Perowskit-Bestandteile auf dieselbe Weise, wie Streusalz Eis schmilzt. Unter Hitzeeinwirkung bildet die Mischung kurzzeitig einen flüssigen Brei, wodurch die Atome genügend Zeit haben, sich zu einem gleichmäßigen Gitter zu ordnen, statt in einer ungeordneten Formation zu erstarren. Während der weiteren thermischen Behandlung verdampfen die Salzadditive vollständig und hinterlassen eine reine kristalline Schicht.

„Defekte sind seit fast einem Jahrzehnt der Engpass für Perowskite. Wenn wir die wesentlichen Defekte beseitigen können, können wir endlich damit beginnen, Bauteile zu bauen, die länger halten und zuverlässiger funktionieren.“

— Yanqi Luo, Beamline-Wissenschaftlerin am Argonne National Laboratory

Atomare Reparaturen in Echtzeit abbilden

Die Verfolgung des Kristallumbaus erforderte hochauflösende Analysewerkzeuge an der Advanced Photon Source und am Center for Nanoscale Materials des Argonne National Laboratory. Mit hochenergetischen Röntgensonden zeichneten die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler gleichzeitig die chemische Zusammensetzung und das optische Verhalten auf, so Interesting Engineering.

Die Messungen bestätigten, dass während der Erhitzung verbliebene Zinkatome zu den verbleibenden Fehlerlinien wandern und Defekte glätten, bevor sich strukturelle Fallen bilden können. Die Beamline-Wissenschaftlerin Yanqi Luo und das Team bestätigten, dass die Beseitigung dieser Fehler die wichtigste Leistungsbarriere entfernt, die die Kommerzialisierung von Perowskiten seit rund einem Jahrzehnt behindert hat, und damit wertvolles geistiges Eigentum für künftige Energiesysteme schafft.

Messbare Leistungsgewinne bei Modulen und Dioden

Das flüchtige eutektische Verfahren erbrachte messbare Gewinne bei mehreren im Labor getesteten Bauteiltypen. Kleine Solarzellen erreichten einen zertifizierten Wirkungsgrad der Energieumwandlung von 25,9 Prozent, während größere Perowskit-Minimodule 23,9 Prozent erreichten, wie Interesting Engineering dokumentiert.

Neben dem Erhalt von 85,8 Prozent der Ausgangseffizienz nach 1.400 Stunden bei 85 Grad Celsius erwies sich die Kristallbehandlung auch bei anderer optoelektronischer Hardware als wirksam. Leuchtdioden, die mit dem Verfahren hergestellt wurden, erreichten eine externe Quanteneffizienz von 26,1 Prozent. Da die Advanced Photon Source aufgerüstet wurde und nun Röntgenstrahlen bis zu 500-mal heller liefert, planen die Forschenden den Übergang von statischen Momentaufnahmen zu kontinuierlichen Beobachtungen der Kristallbildung auf größeren industriellen Oberflächen, was den Weg für eine skalierbare kommerzielle Nutzung und Patentschutz ebnet.

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