HZB-Forscher Artem Musiienko (rechts im Bild) sieht in Zinn-Perowskiten einen Weg zur Entwicklung stabiler und effizienter Solarzellen.
Foto: Michael Setzpfandt / HZB
Perowskit-Halbleiter haben ein anerkanntermaßen hohes Potenzial für Photovoltaik-Anwendungen, in der Forschung sind bereits Wirkungsgrade um 27 Prozent erreicht und im Tandem mit anderen Materialien auch schon weit mehr. Bislang sind aber nur sehr wenige serienreife Produkte entstanden. Eines der Probleme besteht darin, dass für die Effizienzrekorde Blei als B-Kation in der Perowskit-Struktur eingesetzt wurde. Das Schwermetall ist erstens giftig, zweitens bleiben Blei-Perowskit-Halbleitermaterialien bislang noch nicht über Jahre hinweg stabil. Eine Forschungsgruppe des Helmholtz-Zentrums Berlin (HZB) und der Universität Potsdam meldet nun Fortschritte bei der Suche nach Alternativen.
Das Blei kann durch Zinn ersetzt werden, weshalb etliche Forschungsgruppen sich mit dieser Option befassen. Zinn-basierte Perowskit-Solarzellen haben im Vergleich zu Blei-basierten allerdings deutlich geringere Wirkungsgrade. „Dies könnte aber auch daran liegen, dass die Forschung zu Zinn-Perowskiten noch in den Kinderschuhen steckt“, sagt Artem Musiienko, Leiter einer Forschungsgruppe am HZB. Theoretisch könnten nämlich Zinn-basierte Perowskit-Solarzellen sogar höhere Wirkungsgrade erreichen als solche aus Blei-basierten Perowskiten. Eine neue Studie liefert nach Einschätzung der Forscherinnen und Forscher nun „ein wichtiges Argument dafür, Perowskiten auf Zinnbasis mehr Aufmerksamkeit zu schenken“.
Große Überraschung
Einer der Hauptgründe für die geringe Stabilität aller Perowskit-Solarzellen bestehe in mobilen Halogenid-Ionen im Material. Durch deren Wanderung werde das Material abgebaut, der Wirkungsgrad der Solarzelle lasse mit der Zeit nach. Das Team um Musiienko und eine weitere HZB-Gruppe um Antonio-Abate sowie das Team um Felix-Lang an der Universität Potsdam haben nun vier der relevantesten Perowskit-Zusammensetzungen untersucht und dabei die Ionendichte und die Migration von Ionen im Material gemessen. Zinn-basierte Perowskite, so das Ergebnis, weisen nicht nur eine geringere Konzentration an mobilen Ionen auf, sondern auch eine fünfmal langsamere Degradationszeit.
Die Zinn-Perowskit-Materialien wurden auf zwei verschiedene Weisen synthetisiert, nämlich mit einem Dimethylsulfoxid- (DSMO)-Lösungsmittel und mit einem alternativen DMF-DMI-Lösungsmittel. Es habe sich gezeigt, dass die Ionendichte im bleibasierten Perowskit am größten war. Bei einer Blei-Zinn-Mischung und einem Zinn-Perowskit war sie demnach etwas geringer. „Eine große Überraschung“ sei aber die mit dem alternativen Lösungsmittel hergestellte Zinn-Perowskit-Probe gewesen. „Diese FASnI3-Solarzellen haben zehnmal weniger mobile Ionen als die Blei-basierten Solarzellen, sagt Shengnan Zuo, Doktorandin in Musiienkos Team. „Wir haben außerdem festgestellt, dass sie während des Betriebs über 600 Stunden lang eine ausgezeichnete Stabilität aufweisen.“
Nach diesen Resultaten sei man „überzeugt, dass Perowskite auf Zinnbasis ein enormes Potenzial haben und dass die Untersuchung dieser Materialien eine sehr gute Idee ist“, so Musiienko. Es gebe Möglichkeiten, Effizienz und Stabilität noch deutlich zu steigern. Die nun vorgelegte Studie „ebnet den Weg für die Entwicklung innovativer, stabiler Dünnschicht-Solarzellen mit unterdrückter Ionenwanderung.“
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