Perowskit-Solarzellen: XJTU schützt Oberflächen vor Hitze

Solarzellen aus kostengünstigen, druckbaren Materialien erreichen zunehmend Spitzenwerte bei der Leistung, versagen jedoch häufig noch unter Hitze.

Ein zusätzlicher Schutzschritt gewinnt an Bedeutung, denn saubere Stromerzeugung im großen Maßstab braucht Bauteile, die auch harten Bedingungen standhalten.

Hitze als entscheidende Schwachstelle

Bei vielen hocheffizienten Prototypen liegt die kritischste Phase in der Herstellung: Wärme kann eine vielversprechende Solarschicht beschädigen.

Ein Forschungsteam der Xi’an Jiaotong University (XJTU) in China untersuchte, wie sich Hitzeschäden aufhalten lassen, bevor sie sich großflächig ausbreiten.

Geleitet wurde das Projekt von Dr. Chao Liang, dessen Forschung auf empfindliche Grenzflächen in Dünnschichten ausgerichtet ist.

Indem die Oberfläche während des Erhitzens geschützt wurde, verringerte das Team das Risiko, dass kleinste Fehler zu langfristigen Ausfällen anwachsen.

Warum Perowskite anspruchsvoll sind

Zahlreiche Labore fertigen Solarzellen aus Perowskiten – kristallinen Materialien, die Licht besonders wirksam absorbieren. Damit lassen sich hohe Wirkungsgrade erzielen.

Anders als bei Silizium wird ihre Struktur durch elektrische Anziehungskräfte zusammengehalten, weshalb Hitze wichtige Bindungen lockern kann.

Schwächen sich diese Verbindungen ab, können Ionen leichter wandern – also geladene Atome durch das Material driften – und die elektrischen Verluste nehmen mit der Zeit zu.

Diese Beweglichkeit erklärt zugleich, weshalb Perowskit-Bauteile rasch an Leistung verlieren können, sofern ihre Oberflächen nicht geordnet und chemisch stabil bleiben.

Weshalb Jod entweicht

Um eine gleichmäßige Perowskit-Schicht herzustellen, ist nach dem Trocknen der Nassbeschichtung üblicherweise ein kontrolliertes Erhitzen, das sogenannte Tempern, nötig, damit sich die Kristalle sauber ausbilden.

Während dieses Erhitzens kann Jod von der oberen Oberfläche entweichen, wodurch der verbleibende Kristall anfälliger für Schäden wird.

Bei einer Jod-Leerstelle, also einem fehlenden Jodatom im Kristall, verlieren benachbarte Bleitionen Bindungspartner und die lokale Struktur verformt sich.

Fehler, die an der Oberfläche entstehen, können anschließend in das Perowskit-Innere vordringen, den elektrischen Stromfluss beeinträchtigen und einen schnelleren späteren Zerfall begünstigen.

Ein Pressverfahren ohne Lösungsmittel

Um den frühesten Schaden zu verhindern, setzte das Team molekulares Press-Tempern ein: einen Heißpressschritt, bei dem Moleküle an die Oberfläche des Perowskits gebunden werden.

Eine dünne Schablonenfolie wurde ohne Lösungsmittel auf das Perowskit gepresst und bildete beim Erhitzen eine dichte Deckschicht.

Die Folie enthielt 2-pyridylethylamine, ein kleines stickstoffreiches organisches Molekül, dessen zwei Bindungsstellen die Oberfläche stabilisierten.

Die Forschenden beschrieben den Schritt als Methode, Oberflächenschäden bereits beim Erhitzen zu vermeiden, statt Defekte erst nach ihrem Auftreten zu reparieren.

Moleküle stabilisieren die Oberfläche

Das entscheidende Molekül band sich an freiliegende Bleiatome auf der Oberfläche und verlieh dem Kristall bei hohen Temperaturen stärkere Bindungen.

Durch die Bindung an zwei Stellen stabilisierte es das Blei-Jod-Gerüst, sodass weniger Leerstellen entstanden und sich vorhandene Leerstellen seltener ausbreiteten.

Weniger Defekte ermöglichten einen gleichmäßigeren Ladungstransport durch die Schicht; dadurch gelangte ein größerer Anteil des eingefangenen Sonnenlichts als Strom zu den Elektroden.

Entscheidend bleibt dabei ein gleichmäßiger Kontakt, denn Lücken in der gepressten Schicht könnten Jod weiterhin Wege zum Entweichen bieten.

Skalierbarer Perowskit-Wirkungsgrad

Seit Jahren dokumentiert die Übersicht des National Renewable Energy Laboratory den raschen Aufstieg von Perowskiten, und dieses Ergebnis rückte nahe an die Spitze.

Nach einer Standardzertifizierung meldete die Gruppe einen Wirkungsgrad von 26.5 Prozent für ein winziges Bauteil sowie 23.0 Prozent für ein 2.5-Quadratzoll-Modul (16 Quadratzentimeter).

Die Verbesserungen beruhten vor allem auf einer gleichmäßigeren Ladungssammlung, da weniger Defekte dazu führten, dass weniger Energie innerhalb der Zelle als Wärme verloren ging.

Trotzdem ist die hohe Leistung auf einer pressfähigen Folie nur ein Schritt auf dem Weg zur Massenproduktion auf vollständigen Fertigungslinien für Solarzellen.

Beständigkeit bei feuchter Hitze

Hohe Wirkungsgrade sind weniger wert, wenn eine Solarzelle nach einigen Monaten Leistung einbüßt. Daher setzte das Team die Bauteile hohen Temperaturen und Feuchtigkeit aus.

Im Betrieb bei 185 Grad Fahrenheit (85 Grad Celsius) und 60 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit behielten die Zellen nach 1,617 Stunden 98.6 Prozent ihrer ursprünglichen Leistung.

Bei Lagerung im Dunkeln unter Raumbedingungen erreichten sie nach 5,280 Stunden noch 97.2 Prozent, was auf langsame chemische Veränderungen ohne Licht hindeutet.

Diese Prüfungen können nicht jede Belastung im Freien vorhersagen, zeigen jedoch, dass sich die Beseitigung früher Defekte später auszahlen kann.

Wiederverwendung derselben Schablone

Da eine nur einmal funktionierende Technik nicht genügt, prüfte das Team, ob die Prägefolie vielfach wiederverwendbar ist.

Eine 2-pyridylethylamine-Schablone wurde für 30 aufeinanderfolgende Bauteile eingesetzt; das Verfahren senkte die Materialkosten der Oberflächenbehandlung um mehr als das 47-Fache.

Weil zusätzliche Waschschritte mit Lösungsmitteln vermieden wurden, sank zudem das Risiko, die empfindliche obere Schicht anzulösen oder aufzurauen.

Die Wiederverwendung hilft bei den Produktionskosten von Solarzellen, doch Fabriken bräuchten weiterhin zuverlässige Presswerkzeuge und Qualitätskontrollen, damit jeder Pressvorgang gleichmäßig ausfällt.

Auf dem Weg zu robusteren Solarzellen

Perowskit-Bauteile stehen außerhalb des Labors weiterhin vor Hürden, insbesondere wenn sie Regen, Staub und täglichen Temperaturschwankungen standhalten müssen.

Schutzverpackungen müssen Wasser und Sauerstoff über Jahre abhalten, während die Versiegelungen auch bei der Ausdehnung von Materialien dicht bleiben müssen.

Die meisten hocheffizienten Perowskite enthalten zudem Blei. Hersteller müssen daher Leckagen während der Nutzung verhindern und Abfälle verantwortungsvoll behandeln.

Molekulares Press-Tempern verbessert einen Ausfallmechanismus, doch echte Solarzellenmodule benötigen unter Sonnenlicht mehrere zusammenwirkende Schutzmaßnahmen.

Indem XJTU ein Schutzmolekül während des Erhitzens einpresste, verwandelte die Universität einen riskanten Herstellungsmoment in einen kontrollierten Oberflächenschritt.

Wenn weitere Gruppen den Pressprozess skalieren und lange Lebensdauern im Freien nachweisen können, könnte dieser Ansatz Perowskiten den Wettbewerb auf den Märkten erleichtern.