Neue Forschung zeigt großes Potenzial für die Verbesserung der Effizienz von Solarzellen

Anorganischer Perowskit schneidet in Bezug auf die Effizienz gut mit seinen hybriden Gegenstücken ab. Bildnachweis: Illustration von Xie Zhang

Neue Forschungsergebnisse zeigen, dass anorganische Perowskit-Solarzellen vielversprechend sind, um die Effizienz von Solarzellen zu verbessern.

Hybrider organischer und anorganischer Perowskit hat in Photovoltaikzellen bereits einen sehr hohen Wirkungsgrad von mehr als 25 % gezeigt. Die vorherrschende Weisheit auf diesem Gebiet ist, dass organische Moleküle (die Kohlenstoff und Wasserstoff enthalten) im Material wesentlich sind, um diese erstaunliche Leistung zu erzielen, da angenommen wird, dass sie die defektunterstützte Ladungsträgerrekombination verhindern.

Neue Forschungen am Department of Materials der University of California, Santa Barbara, zeigen nicht nur, dass diese Annahme falsch ist, sondern auch, dass alle anorganischen Materialien das Potenzial haben, Hybrid-Perowskite zu übertreffen. Die Ergebnisse werden in einem Artikel mit dem Titel „All-inorganic Halogenid Perovskites as Candidate for Efficiency Solar Cells“ veröffentlicht, der auf dem Titelblatt der Zeitschrift vom 20. Oktober 2021 erscheint. Zellberichte Physikalische Wissenschaften.

„Um die Materialien zu vergleichen, haben wir umfassende Simulationen der Rekombinationsmechanismen durchgeführt“, erklärt Xie Zhang, der leitende Forscher der Studie. „Wenn das Solarzellenmaterial mit Licht bestrahlt wird, erzeugen die photogenerierten Ladungsträger Strom; die Rekombination an Defekten zerstört einige dieser Ladungsträger und verringert so die Effizienz. Daher wirken Defekte als Effizienzkiller.“

Um den anorganischen und den hybriden Perowskit zu vergleichen, untersuchten die Forscher zwei primäre Modellmaterialien. Beide Stoffe enthalten Blei- und Jodatome, aber in einer Substanz wird die Kristallstruktur durch das anorganische Element Cäsium vervollständigt, während in der anderen das organische Molekül Methylammonium vorkommt.

Das experimentelle Aussortieren dieser Prozesse ist sehr schwierig, aber die neuesten quantenmechanischen Berechnungen können Rekombinationsraten genau vorhersagen, dank der neuen Methodik, die am UCSB Materials Group Professor Chris Van de Waal entwickelt wurde, der Mark gutschreibt. Turiansky, ein Doktorand der Gruppe, hilft beim Schreiben des Codes zur Berechnung der Rekombinationsraten.

„Unsere Methoden sind sehr leistungsfähig bei der Identifizierung von Defekten, die Trägerverluste verursachen“, sagte Turiansky. „Es ist spannend zu sehen, wie sich der Ansatz auf eines der kritischen Themen unserer Zeit, die effiziente Erzeugung erneuerbarer Energien, bezieht.“

Die Simulationen zeigten, dass die gemeinsamen Defekte in beiden Materialien zu vergleichbaren (und relativ gutartigen) Rekombinationsniveaus führen. Allerdings kann das organische Molekül im Hybridperowskit dissoziieren; Wenn der Verlust von Wasserstoffatomen auftritt, reduzieren die resultierenden „Leerstellen“ die Effizienz stark. Somit ist das Vorhandensein des Moleküls für die Gesamteffizienz des Materials nachteilig und kein Vorteil.

Warum wird dies dann nicht experimentell beobachtet? Dies liegt hauptsächlich an der Schwierigkeit, qualitativ hochwertige Schichten aus vollständig anorganischen Materialien zu züchten. Sie neigen dazu, andere Kristallstrukturen anzunehmen, und um die Bildung der gewünschten Struktur zu fördern, ist ein größerer experimenteller Aufwand erforderlich. Neuere Forschungen haben jedoch gezeigt, dass das Erreichen der bevorzugten Struktur durchaus möglich ist. Die Schwierigkeit erklärt jedoch, warum anorganischem Perowskit bisher nicht so viel Aufmerksamkeit geschenkt wurde.

„Wir hoffen, dass unsere Ergebnisse zu den erwarteten Wirkungsgraden weitere Aktivitäten zur Herstellung von anorganischem Perowskit anregen werden“, schloss Van de Waale.

Referenz: „Completely Inorganic Halide Perovskite as Candidates for Efficient Solar Cells“ Von Xie Zhang, Mark E. Turiansky und Chris G. Van de Walle, 11. Oktober 2021, hier verfügbar. Zellberichte Physikalische Wissenschaften.
DOI: 10.1016 / j.xcrp.2021.100604

Diese Forschung wurde vom Department of Energy, Office of Science, Office of Basic Energy Sciences finanziert; Die Berechnungen wurden am Scientific Computing Center for National Energy Research durchgeführt.