Rein anorganische Perowskite sind in Bezug auf die Effizienz gut mit ihren hybriden Gegenstücken zu vergleichen. Bildnachweis: Illustration von Xie Zhang
Neue Forschungen zeigen, dass rein anorganische Perowskit-Solarzellen vielversprechend sind, um die Effizienz von Solarzellen zu verbessern.
Hybride organisch-anorganische Perowskite haben bereits sehr hohe photovoltaische Wirkungsgrade von mehr als 25 % gezeigt. Die vorherrschende Weisheit auf diesem Gebiet ist, dass die organischen (kohlenstoff- und wasserstoffhaltigen) Moleküle im Material entscheidend sind, um diese beeindruckende Leistung zu erzielen, da angenommen wird, dass sie die defektunterstützte Ladungsträgerrekombination unterdrücken.
Neue Forschungen in der Materialabteilung der UC Santa Barbara haben nicht nur gezeigt, dass diese Annahme falsch ist, sondern auch, dass rein anorganische Materialien das Potenzial haben, hybride Perowskite zu übertreffen. Die Ergebnisse werden in dem Artikel „All-inorganic Halogenid Perovskites as Candidate for Efficiency Solar Cells“ veröffentlicht, der auf dem Titelblatt der Zeitschrift vom 20. Oktober 2021 erscheint Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
„Um die Materialien zu vergleichen, haben wir umfassende Simulationen der Rekombinationsmechanismen durchgeführt“, erklärt Xie Zhang, leitender Forscher der Studie. „Wenn Licht auf ein Solarzellenmaterial fällt, erzeugen die photogenerierten Träger einen Strom; Rekombination an Defekten zerstört einige dieser Träger und verringert somit die Effizienz. Mängel wirken somit als Effizienzkiller.“
Um anorganische und hybride Perowskite zu vergleichen, untersuchten die Forscher zwei Prototypmaterialien. Beide Materialien enthalten Blei- und Jodatome, aber in einem Material wird die Kristallstruktur durch das anorganische Element Cäsium vervollständigt, während in dem anderen das organische Methylammonium-Molekül vorhanden ist.
Das experimentelle Aussortieren dieser Prozesse ist äußerst schwierig, aber modernste quantenmechanische Berechnungen können die Rekombinationsraten dank einer neuen Methodik, die in der Gruppe des UCSB-Materialprofessors Chris Van de Walle entwickelt wurde, genau vorhersagen Turiansky, ein Senior Graduate Student in der Gruppe, mit dem Schreiben des Codes zur Berechnung der Rekombinationsraten.
„Unsere Methoden sind sehr leistungsfähig, um zu bestimmen, welche Defekte Trägerverluste verursachen“, sagte Turiansky. „Es ist spannend zu sehen, wie der Ansatz auf eines der kritischen Themen unserer Zeit angewendet wird, nämlich die effiziente Erzeugung erneuerbarer Energien.“
Die Durchführung der Simulationen zeigte, dass Defekte, die beiden Materialien gemeinsam sind, zu vergleichbaren (und relativ gutartigen) Rekombinationsgraden führen. Das organische Molekül im Hybrid-Perowskit kann jedoch aufbrechen; Wenn Wasserstoffatome verloren gehen, verringern die resultierenden „Leerstellen“ die Effizienz stark. Das Vorhandensein des Moleküls ist daher eher ein Nachteil als ein Vorteil für die Gesamteffizienz des Materials.
Warum wurde dies dann experimentell nicht bemerkt? Vor allem, weil es schwieriger ist, hochwertige Schichten der rein anorganischen Materialien zu züchten. Sie neigen dazu, andere Kristallstrukturen anzunehmen, und die Förderung der Bildung der gewünschten Struktur erfordert einen größeren experimentellen Aufwand. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass das Erreichen der bevorzugten Struktur durchaus machbar ist. Die Schwierigkeit erklärt jedoch, warum den rein anorganischen Perowskiten bisher nicht so viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde.
„Wir hoffen, dass unsere Erkenntnisse über die erwartete Effizienz weitere Aktivitäten zur Herstellung anorganischer Perowskite anregen werden“, schloss Van de Walle.
Referenz: „All-inorganic Halogenid Perovskites as Candidate for Efficiency Solar Cells“ von Xie Zhang, Mark E. Turiansky und Chris G. Van de Walle, 11. Oktober 2021, Zellberichte Physikalische Wissenschaft.
DOI: 10.1016/j.xcrp.2021.100604
Finanziert wurde diese Forschung durch das Department of Energy Office of Science, Office of Basic Energy Sciences; die Berechnungen wurden am National Energy Research Scientific Computing Center durchgeführt.