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Haltbarkeit günstiger Solarzellen verbessert

David Egger

Chlorid (grün) macht günstiges Ausgangsmaterial für Solarzellen stabiler – und damit vielleicht einen signifikanten Unterschied für eine nachhaltige Zukunft.

04.08.2016: Die Stabilität eines sehr leistungsfähigen und günstigen Ausgangsmaterials für Solarzellen konnte wesentlich gesteigert werden. Die Materialmanipulationen, die das ermöglichen, wurden in einem vom Wissenschaftsfonds FWF unterstützten internationalen Projekt mitentwickelt.

Bleihaltige Perowskite sind der Darling der Solarzellen-Forschung: Das kristalline Material bietet sich für günstige Herstellungsverfahren an und hat mit über 20 Prozent einen enorm hohen Wirkungsgrad in vergleichsweise kurzer Zeit erreicht. Ein wesentlicher Nachteil des Materials bleibt jedoch seine Instabilität. Dass diese durch geschicktes Dotieren mit Chlorid-Ionen deutlich verringert werden kann, zeigte vor kurzem ein Erwin-Schrödinger-Stipendiat des FWF in einer Zusammenarbeit mit Forschern rund um Aaron Fafarman von der Drexel University in Philadelphia, USA.

Hochdotiert

David Egger, der sein Stipendium zur Forschung am Department of Materials and Interfaces des Weizmann-Instituts für Wissenschaften in Israel nutzt, konnte mit seinen Kollegen zeigen, dass bestimmte Perowskite sich mit Chlorid anreichern (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 fotovoltaischen Vorteile sofort verloren gehen.“

Vorahnung

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, 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 aus der experimentellen Physik entwarfen schließlich 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.

Überraschung

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 Halbwertzeit als Kontrollmaterialien ohne Chlorid-Dotierung. Bei einer geringeren Luftfeuchtigkeit von elf Prozent verlängerte sich die Halbwertzeit sogar weiter.

Dazu Egger: „Die Verlängerung der Halbwertzeit 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 viel schneller, womit wir eine Verlängerung der Halbwertzeit um mindestens zwei Größenordnungen bestätigen konnten.“ Indem sie Ergebnisse aus Experiment und Theorie erneut kombinierten, bestimmte das Forscherteam schließlich den Anteil der Chlor-Ionen in dem neu hergestellten Material und stellte fest, dass eine Anreicherung über zwei Prozent hinaus nicht möglich ist. Diese grundlegenden Erkenntnisse, die Egger im Rahmen seines Schrödinger-Stipendiums des FWF im Team erarbeiten konnte, liefern einen wichtigen neuen Ansatz, um das enorme Potenzial von Solarzellen auf Perowskit-Basis tatsächlich praktisch nutzbar zu machen.

Originalveröffentlichung:
Subham Dastidar, David A. Egger, Liang Z. Tan, Samuel B. Cromer, Andrew D. Dillon, Shi Liu, Leeor Kronik, Andrew M. Rappe und Aaron T. Fafarman; „High Chloride Doping Levels Stabilize the Perovskite Phase of Cesium Lead Iodide“; Nano Lett.; 2016, 16, 3563−3570.

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