Ingenieure der Rice University haben einen neuen Maßstab bei der Entwicklung von atomar dünnen Solarzellen aus halbleitenden Perowskiten gesetzt, die ihre Effizienz steigern und gleichzeitig ihre Umweltverträglichkeit beibehalten. Das Labor von Aditya Mohite von der George R. Brown School of Engineering an der Rice University entdeckte, dass das Sonnenlicht selbst den Raum zwischen den Atomschichten in 2D-Perowskiten so weit zusammenzieht, dass der photovoltaische Wirkungsgrad des Materials um bis zu 18 % verbessert wird - ein erstaunlicher Sprung in einem Bereich, in dem Fortschritte oft in Bruchteilen von Prozent gemessen werden. Die Forschungsarbeit "Light-activated interlayer contraction in two-dimensional perovskites for high-efficiency solar cells" erscheint in Nature Nanotechnology.
"In 10 Jahren sind die Wirkungsgrade von Perowskiten von etwa 3 % auf über 25 % in die Höhe geschnellt", so Mohite. "Andere Halbleiter haben etwa 60 Jahre gebraucht, um dieses Ziel zu erreichen. Deshalb sind wir so begeistert." Perowskite sind Verbindungen mit würfelförmigen Kristallgittern, die hocheffiziente Lichtsammler sind. Ihr Potenzial ist seit Jahren bekannt, aber sie stellen ein Rätsel dar: Sie sind gut darin, Sonnenlicht in Energie umzuwandeln, aber Sonnenlicht und Feuchtigkeit zersetzen sie.
"Man geht davon aus, dass eine Solarzellentechnologie 20 bis 25 Jahre lang funktioniert", so Mohite, außerordentlicher Professor für Chemie- und Biomolekulartechnik sowie für Materialwissenschaft und Nanotechnik. "Wir arbeiten seit vielen Jahren und auch weiterhin mit Bulk-Perowskiten, die sehr effizient, aber nicht so stabil sind. Im Gegensatz dazu sind 2D-Perowskite zwar sehr stabil, aber nicht effizient genug, um sie auf einem Dach zu verbauen.
"Das große Problem besteht darin, sie effizient zu machen, ohne die Stabilität zu beeinträchtigen", sagte er.
Die Rice-Ingenieure und ihre Mitarbeiter an den Universitäten Purdue und Northwestern, den nationalen Laboratorien des US-Energieministeriums in Los Alamos, Argonne und Brookhaven sowie dem Institut für Elektronik und digitale Technologien (INSA) in Rennes, Frankreich, entdeckten, dass Sonnenlicht in bestimmten 2D-Perowskiten den Raum zwischen den Atomen effektiv schrumpfen lässt, was ihre Fähigkeit zur Stromübertragung verbessert.
"Wir haben festgestellt, dass man das Material beim Beleuchten wie einen Schwamm zusammendrückt und die Schichten zusammenbringt, um den Ladungstransport in diese Richtung zu verbessern", so Mohite. Die Forscher fanden heraus, dass eine Schicht aus organischen Kationen zwischen dem Jodid auf der Oberseite und dem Blei auf der Unterseite die Wechselwirkungen zwischen den Schichten verstärkt.
"Diese Arbeit hat erhebliche Auswirkungen auf die Untersuchung angeregter Zustände und Quasiteilchen, bei denen eine positive Ladung auf einer Schicht und eine negative Ladung auf der anderen liegt und die miteinander kommunizieren können", so Mohite. "Diese werden Exzitonen genannt, die einzigartige Eigenschaften haben können. "Dieser Effekt hat uns die Möglichkeit gegeben, diese grundlegenden Licht-Materie-Wechselwirkungen zu verstehen und anzupassen, ohne komplexe Heterostrukturen wie gestapelte 2D-Übergangsmetall-Dichalcogenide zu schaffen", sagte er.
Die Experimente wurden durch Computermodelle von Kollegen in Frankreich bestätigt. "Diese Studie bot die einmalige Gelegenheit, modernste Ab-Initio-Simulationstechniken, Materialuntersuchungen mit nationalen Synchrotron-Großgeräten und In-situ-Charakterisierungen von Solarzellen im Betrieb zu kombinieren", so Jacky Even, Physikprofessor am INSA. "Die Arbeit zeigt zum ersten Mal, wie ein Perkolationsphänomen den Ladungsstromfluss in einem Perowskit-Material plötzlich freisetzt."
Beide Ergebnisse zeigten, dass sich die 2D-Perowskite nach 10 Minuten unter einem Sonnensimulator bei einer Sonnenintensität um 0,4 % entlang ihrer Länge und etwa 1 % von oben nach unten zusammenzogen. Sie wiesen nach, dass der Effekt bereits nach einer Minute bei einer Intensität von fünf Sonnenstunden zu beobachten ist.
"Das hört sich nicht nach viel an, aber diese 1 %ige Kontraktion des Gitterabstands führt zu einer starken Verstärkung des Elektronenflusses", so Wenbin Li, Doktorand der Angewandten Physik an der Rice University und Mitautor der Studie. "Unsere Forschung zeigt eine dreifache Steigerung der Elektronenleitung des Materials. Gleichzeitig war das Material aufgrund der Beschaffenheit des Gitters selbst bei einer Erhitzung auf 80 Grad Celsius (176 Grad Fahrenheit) weniger anfällig für eine Zersetzung. Die Forscher stellten außerdem fest, dass sich das Gitter schnell wieder in seine normale Konfiguration zurückentwickelte, sobald das Licht ausgeschaltet wurde.
"Eine der Hauptattraktionen von 2D-Perowskiten war, dass sie in der Regel organische Atome enthalten, die als Feuchtigkeitsbarrieren fungieren, thermisch stabil sind und das Problem der Ionenmigration lösen", so Siraj Sidhik, Doktorand und Co-Autor. "3D-Perowskite sind anfällig für Hitze- und Lichtinstabilität, also begannen die Forscher damit, 2D-Schichten auf Bulk-Perowskite aufzutragen, um zu sehen, ob sie das Beste von beidem bekommen konnten.
"Wir dachten, wir sollten einfach nur zu 2D übergehen und es effizient machen", sagte er.
Um die Materialkontraktion in Aktion zu beobachten, nutzte das Team zwei Einrichtungen des U.S. Department of Energy (DOE) Office of Science: die National Synchrotron Light Source II am Brookhaven National Laboratory des DOE und die Advanced Photon Source (APS) am Argonne National Laboratory des DOE.
Der Argonne-Physiker Joe Strzalka, ein Mitautor der Studie, nutzte die ultrahelle Röntgenstrahlung der APS, um kleinste strukturelle Veränderungen im Material in Echtzeit zu erfassen. Die empfindlichen Instrumente an der Beamline 8-ID-E des APS ermöglichen "operando"-Studien, d. h. Studien, die durchgeführt werden, während das Gerät unter normalen Betriebsbedingungen kontrollierten Temperatur- oder Umgebungsänderungen unterworfen ist. In diesem Fall setzten Strzalka und seine Kollegen das photoaktive Material der Solarzelle simuliertem Sonnenlicht aus, während sie die Temperatur konstant hielten, und beobachteten winzige Kontraktionen auf atomarer Ebene.
Als Kontrollexperiment ließen Strzalka und seine Co-Autoren den Raum ebenfalls dunkel und erhöhten die Temperatur, wobei sie den gegenteiligen Effekt, nämlich eine Ausdehnung des Materials, beobachteten. Dies zeigte, dass die Veränderung durch das Licht selbst und nicht durch die von ihm erzeugte Wärme verursacht wurde.
"Für Veränderungen wie diese ist es wichtig, Operando-Studien durchzuführen", so Strzalka. "Genauso wie Ihr Mechaniker Ihren Motor laufen lassen möchte, um zu sehen, was in ihm passiert, möchten wir im Wesentlichen ein Video dieser Umwandlung anstelle eines einzelnen Schnappschusses aufnehmen. Mit Einrichtungen wie dem APS können wir das tun".
Strzalka wies darauf hin, dass das APS derzeit eine umfassende Modernisierung durchführt, die die Helligkeit seiner Röntgenstrahlen um das 500-fache erhöhen wird. Wenn die Arbeiten abgeschlossen sind, so Strzalka, werden die helleren Strahlen und die schnelleren, schärferen Detektoren den Wissenschaftlern die Möglichkeit geben, diese Veränderungen mit noch größerer Empfindlichkeit zu erkennen.
Das könnte dem Rice-Team dabei helfen, die Materialien für eine noch bessere Leistung zu optimieren. "Wir sind auf dem besten Weg, eine Effizienz von über 20 % zu erreichen, indem wir die Kationen und Grenzflächen optimieren", so Sidhik. "Das würde alles auf dem Gebiet der Perowskite verändern, denn dann würde man beginnen, 2D-Perowskite für 2D-Perowskit/Silizium- und 2D/3D-Perowskit-Tandems zu verwenden, was Wirkungsgrade von nahezu 30 % ermöglichen könnte. Das würde die Kommerzialisierung zwingend erforderlich machen."
Weitere Informationen finden Sie unter: https://news.rice.edu/news/2021/ultrathin-solar-cells-get-boost [This is automatically translated from English]