Aufgedampfte Perowskite

Mit kristal­linen Perowskit-Zellen lassen sich im Labor bereits heute sehr hohe Wirkungs­grade erzielen. Bei der kommer­ziellen Anwendung der Dünn­schicht-Zelen hapert es aber, weil das Material noch zu instabil ist und bisher kein indus­trielles Produktions­verfahren für Perowskite etabliert ist. Physiker der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg MLU präsen­tieren nun einen Ansatz, der dieses Problem lösen könnte. Außerdem beschreiben sie detail­liert, wie sich Perowskite bilden und wie sie wieder zerfallen.

Stabileres Perowskit: 3D-Modell der Kristallstruktur des CsPbBr3. (Bild: P. Pistor, MLU Halle)

Erst im Jahr 2009 gelang Forschern der Nachweis, dass organisch-anor­ganische Verbin­dungen mit der speziellen Perowskit-Kristall­struktur gute Absorber sind, mit deren Hilfe Sonnenlicht effektiv in Strom umgewandelt werden kann. Binnen weniger Jahre wurde der Wirkungsgrad von Perowskit-Solar­zellen im Labor auf weit über zwanzig Prozent erhöht. „Moderne, mono­kristalline Silizium-Solar­zellen erreichen zwar noch leicht bessere Werte, sie sind aber deutlich aufwän­diger herzu­stellen und an ihnen wurde auch länger gearbeitet“, sagt der Physiker Paul Pistor. Bislang gibt es aber keine markt­reifen Solarzellen auf Perowskit-Basis. Noch existiert kein eta­bliertes Verfahren zur groß­flächigen Herstellung von Perowskiten. Außerdem sind die dünnen Kristall­schichten relativ instabil und empfind­lich gegenüber Umwelt­einflüssen. „Durch hohe Tempera­turen oder Feuchtig­keit zersetzen sich die Perowskite und verlieren so die Fähigkeit, Sonnenlicht in elek­trische Energie umzuwandeln“, sagt Pistor.

Solar­zellen müssen allerdings erhöhte Tempera­turen aushalten, da sie dauerhaft der Sonne ausgesetzt sind. Die Physiker aus Halle unter­suchten daher einen speziellen, anor­ganischen Perowskit, das aus Cäsium, Blei und Brom oder Jod besteht. Anstelle der gängigen nass­chemischen Verfahren zur Her­stellung von Perowskiten setzten sie ein Verfahren ein, das in der Industrie bereits vielfach zur Herstellung dünner Schichten und verschie­dener Bau­elemente verwendet wird. Dabei wird in einer Vakuum­kammer ein Substrat aus mehreren heißen Quellen bedampft, auf dem dadurch dünne kris­talline Schichten wachsen. „Der Vorteil dieser Methode ist, dass sich der Verlauf beein­flussen lässt. So können wir das Wachstum der Kristalle gezielt steuern“, erklärt Pistor.

Seine Arbeits­gruppe konnte so Perowskit-Schichten erzeugen, die sich erst bei Tempera­turen von 360 Grad Celsius zersetzten. Mit Hilfe einer modernen Röntgen­analytik ana­lysierten die Forscher zudem die Wachstums- und Zerfall­sprozesse der Kristalle in Echtzeit. Die Ergebnisse liefern wichtige Erkennt­nisse über die grund­legenden Eigen­schaften der Perowskite und deuten auf ein Verfahren hin, das womöglich für die indus­trielle Umsetzung der modernen Perowskit-Solarzell­technologie in Frage kommt. (Quelle: MLU Halle-Wittenberg / optik-photonik.de)

Referenz: T. Burwig et al.: Crystal Phases and Thermal Stability of Co-evaporated CsPbX3 (X = I, Br) Thin Films, J. Phys. Chem. Lett. 9, 4808 (2018); DOI: 10.1021/acs.jpclett.8b02059

Link: Fachgruppe Photovoltaik (P. Pistor), Institut für Physik, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg MLU, Halle

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