Schalt­bare Glas­schei­be als Solar­zelle

Phasenwechselschema des Perowskit-Materials in Abhängigkeit von Temperatur und Feuchtigkeit (Bild: J. Lin et al., UC Berkeley)

Transparente Glas­scheiben lassen sich bereits auf Knopfdruck verdunkeln. Forscher an der Stanford University nutzten dazu vergan­genes Jahr kleine Mengen an Kupfer- und Silber­perchlorat in einem wässrigen Gel, das sie zwischen zwei Glas­scheiben einlagerten. Mit elek­trischen Spannungen gesteuert, bildeten sich in dieser elektro­chromen Schicht Kristalle und die Transmissions­rate für sichtbares Licht sanke auf unter fünf Prozent. Nun erwei­terten Wissen­schaftler in Berkeley diese Funktion mit einem Wandel zu einem photo­voltaisch aktiven Fenster, dass im verdun­kelten Zustand sogar Strom erzeugen konnte. Der reversible Wechsel zu einem einge­färbten Solarfenster beruhte auf einem Phasen­wechsel hauchdünner Perowskit-Schichten. Anwen­dungen dieser Techno­logie sehen die Forscher für die Verglasung von Gebäuden mit möglichst hoher Energie­effizienz oder auch für Auto­scheiben und elek­tronische Anzeige­tafeln.

Jia Lin und seine Kollegen depo­nierten für ihren Prototypen auf einem durch­sichtigen Glasträger eine rund zweihundert Nanometer dünne Schicht aus einem Perowskit-Material auf der Basis von Caesium­bleiiodid und -bromid. Auf der Oberseite schirmten die Forscher die Perowskit-Schicht mit dünnen Lagen aus Zinnoxid und elek­trisch leit­fähigem Indium­zinnoxid vor Feuchtig­keit und Luft ab. Bei Raum­temperatur ließ dieses Solarfenster mehr als 81,7 Prozent des sicht­baren Lichts hindurch. Nach einer Wärme­behandlung und unter Sonnenein­strahlung färbte es sich binnen weniger Minuten orange-rot ein und wandelte sich parallel zu einer Solarzelle mit gut sieben Prozent Wirkungs­grad.

Proto­typ der thermo­chromen Glas­schei­ben mit beiden kristal­linen Phasen des Perows­kit-Mate­rials – links durch­sich­tig, rechts ver­dun­kelt und photo­vol­ta­isch aktiv. (Bild: J. Lin et al., UC Berkeley)

Für diesen Wandel war ein Phasen­wechsel der Perowskit-Materialien verant­wortlich. Im durch­sichtigen Zustand lagen die Kristalle in einer kubischen Struktur und waren weitest­gehend durch­sichtig. Bei einer Temperatur von 105 Grad Celsius jedoch bildete sich die weniger trans­parente Perowskit-Kristall­struktur aus. Diese blockierte gut zwei Drittel des sichtbaren Lichts (Trans­missionsrate 35,4 %) und war zugleich photo­voltaisch aktiv. Auf Raum­temperatur abgekühlt und etwas Feuchtigkeit ausge­setzt, ließ sich dieser Phasen­wechsel umkehren; das thermo­chrome Solarfenster wurde wieder durchsichtig. Pilot­versuche zeigten, dass dieser Wechsel einige Dutzend Male ohne große Einbußen beim Wirkungs­grad möglich war.

Mit ihrem Proto­typen konnten Lin und Kollegen belegen, dass schalt­bare Fenster nicht nur Sonnen­licht auf Wunsch abschirmen sondern zugleich photo­voltaischen Strom erzeugen können. Vor einer Anwendung in Büro­gebäuden oder als Auto­scheibe müsste jedoch die bisher relativ hohe Phasenwechsel­temperatur von knapp über hundert Grad weiter gesenkt werden. Auch die für das rever­sible Schalten notwen­dige Feuch­tigkeit könnte die Stabi­lität der Perowskit-Schichten auf Dauer beein­trächtigen. Doch da sich die Zusammen­setzung von Perowskit-Materialien stark variieren lässt, könnte in weiteren Studien eine Material­mischung ohne diese Nachteile gefunden und auch der Wirkungs­grad noch gesteigert werden. „Ein tiefes Ver­ständnis der Phasen­wechsel in anor­ganischen Perows­kiten könnte zu einem besseren Kontrolle der Schalt­prozesse führen“, ist Jia Lin überzeugt. (Quelle: pro-physik.de, Jan Oliver Löfken)

Referenz: J. Lin et al.: Thermochromic halide peroskite solar cells, Nat. Mater., online 22. Januar 2018; DOI: 10.1038/s41563-017-0006-0

Link: Arbeitsgruppe Peidong Yang, Dept. of Materials Science and Engineering, Univ. of California, Berkeley

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