Zinn-Perowskit-Solarzellen sind nicht nur ungiftig, sondern auch potenziell stabiler als bleihaltige Perowskit-Solarzellen. Forscher in Berlin konnten nun ihren Wirkungsgrad deutlich erhöhen.
Perowskit-Solarzellen gelten als Hoffnungsträger in der Solarbranche. Obwohl sie effizient und günstig sind, haben sie einen entscheidenden Nachteil: Ein Großteil der leistungsstarken Varianten enthält Blei.
Das macht sie nicht unbedingt nachhaltig. Die Alternative: Zinn-Perowskit-Solarzellen. Sie sind nicht nur ungiftig, sondern auch potenziell stabiler.
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Zinn-Perowskit-Solarzellen: Mehr Nachhaltigkeit ohne Blei
Aufgrund ihrer besonderen elektrooptischen Eigenschaften eignen sich Zinn-Perowskit-Solarzellen besonders gut für Tandem- und Dreifach-Solarzellen. Dennoch sind sie noch weit davon entfernt, die hohen Wirkungsgrade von bleihaltigen Perowskiten zu erreichen.
Wissenschaftler des Helmholtz Zentrum Berlin (HZB) konnten mit ihrer Forschung genau in diesem Bereich einen Durchbruch erzielen. In Zusammenarbeit mit Partnern in Litauen identifizierte das Team chemische Verbindungen, die von selbst eine molekulare Schicht bilden, welche sehr gut zur Gitterstruktur von Zinn-Perowskiten passt.
Auf dieser sogenannten Monolage lässt sich Zinn-Perowskit mit hervorragender optoelektronischer Qualität aufwachsen. Kurz gesagt: Die Effizienz verbessert sich deutlich.
Gezieltes Design: Wie funktioniert die Technologie?
Hinter der Effizienz-Steigerung stecken selbstorganisierte Monoschichten (SAMs). „In aktuellen Zinn-Perowskit-Solarzellen wird die unterste Kontaktschicht mit PEDOT:PSS hergestellt“, erklärt das Helmholtz Zentrum. Das sei nicht nur ein aufwendiger Prozess, sondern führe eben auch zu Verlusten. In Bleiperowskiten kann die PEDOT:PSS-Schicht jedoch durch SAMs ersetzt werden.
Bislang lieferten Experimente mit SAMs auf Basis in Zinnperowskiten schlechtere Ergebnisse als mit PEDOT:PSS. Mithilfe der schwefelhaltigen funktionellen Gruppe Phenothiazin (Th-2EPT) fanden die Wissenschaftler nun allerdings eine Möglichkeit, Energieverluste zu minimieren und den Wirkungsgrad bleifreier Zellen merklich zu erhöhen.
„Wir haben gezeigt, dass die Leistung von Zinn-Perowskit-Photovoltaik durch gezieltes Moleküldesign deutlich verbessert werden kann“, so Artem Musiienko, Leiter der Gruppe Robotisierte Optoelektronische Materialien und Photovoltaik-Engineering am HZB.
Die neuen Zinn-Perowskit-Solarzellen mit Th-2EPT erreichen einen Wirkungsgrad von 8,2 Prozent. Diese Ergebnisse legen den Grundstein für weitere Verbesserungen der Zinn-Perowskit-Grenzflächen und ebnen den Weg für die Entwicklung von Tandemsolarzellen aus reinem Zinn-Perowskit.
Anwendungsmöglichkeiten von Zinn-Perowskit-Solarzellen
Perowskite bezeichnen eine Stoffklasse mit einer speziellen Kristallstruktur, die Licht hervorragend absorbiert und effizient in Strom umwandeln kann. Perowskit-Solarzellen sind dünn, flexibel und lassen sich kostengünstig im Niedertemperaturverfahren herstellen, auch als Folien, auf Glas oder Kunststoff.
Damit eröffnen sie vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Sie eignen sich für Leichtbau-Anwendungen, mobile Geräte, Fahrzeugdächer oder tragbare Solarladegeräte.
Außerdem können sie in Gebäudefassaden und -fenster integriert werden. Durch das Fehlen von Blei und ihrem niedrigen Energieaufwand könnten sie auch zu einer nachhaltigeren Option für Photovoltaik-Großflächen werden.
Zwar bedürfen Zinn-Perowskit-Solarzellen auch weiterhin noch Verbesserungen beim Wirkungsgrad. Trotzdem kombinieren sie schon jetzt Umweltfreundlichkeit und stetige Fortschritte in der Forschung.
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