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Perowskite sind hybride Verbindungen aus Metallhalogeniden und organischen Bestandteilen, die ein grosses Potenzial für eine Reihe von Anwendungen haben, z. B. LED-Leuchten, Laser und Photodetektoren. Ihren grössten Beitrag leisten sie jedoch in Solarzellen, wo sie sich anschicken, den Markt zu erobern und ihre Silizium-Pendants zu ersetzen.
Zu den führenden Kandidaten für hocheffiziente und stabile Solarzellen gehören Bleijodid-Perowskite, die hervorragende Lichtsammelfähigkeiten aufweisen. Ihre Effizienz hängt jedoch stark von ihrer Herstellung ab, und ein Schlüsselfaktor ist die Beseitigung von Defekten auf ihrer Lichtsammeloberfläche.
Passivierung und Perowskiteffizienz
Dies geschieht in der Regel durch eine «Passivierung» genannte Methode, bei der die Oberfläche von Perowskit-Filmen mit Chemikalien (Alkylammoniumhalogenide) beschichtet wird, um sie widerstandsfähiger und stabiler zu machen. Bei diesem Verfahren wird eine zweidimensionale Perowskit-Schicht auf den primären Perowskit-Lichtabsorber aufgebracht, was die Stabilität der Vorrichtung verbessert.
Das Problem ist, dass die Passivierung durch die Bildung sogenannter «in-plane»-Perowskit-Schichten, die elektrische Ladung nicht so gut «bewegen», insbesondere unter Hitzeeinwirkung, nach hinten losgeht. Dies ist ein offensichtlicher Nachteil für die Verbreitung und Kommerzialisierung potenzieller Solarzellen.
3D-Chemie als Retter in der Not
In einer neuen Studie haben Forschende um Mohammad Nazeeruddin von der Fakultät für Grundlagenwissenschaften der EPFL einen Weg gefunden, das Problem zu lösen, indem sie sie mit verschiedenen Isomeren eines Jodids behandeln, das zur Herstellung von Perowskiten verwendet wird. In der Chemie sind Isomere Verbindungen, die die gleiche Molekularformel haben, deren Atome aber unterschiedlich im dreidimensionalen Raum angeordnet sind.
Die Forschenden untersuchten die Mindestenergie, die zur Bildung zweidimensionaler Perowskite aus verschiedenen Isomeren des Iodids PDEAI2 (Phenylendiethylammonium) erforderlich ist. Die Isomere wurden für eine, wie die Forschenden es nennen, «massgeschneiderte Defektpassivierung» konzipiert, was bedeutet, dass ihre Passivierungswirkung auf Perowskite im Voraus sehr gut charakterisiert wurde.
Fig. 1 a Strukturen der PDEAI2-Isomere. b J-V-Kennlinien des Champion-Bauelements mit o-PDEAI2. c Foto des hergestellten Perowskit-Solarmoduls. Bildrechte: MK Nazeeruddin
Dieser Ansatz hat sich als sehr effektiv erwiesen, um die negativen Auswirkungen der Passivierung auf die Leistung der Perowskite zu vermeiden. Insbesondere war das effizienteste PDEAI2-Isomer auch das «sterisch gehindertste», ein Begriff, der sich auf eine Verlangsamung der chemischen Reaktivität allein aufgrund des Molekulargewichts der Verbindung bezieht. Sterische Hinderungsgründe werden häufig eingesetzt, um unerwünschte Reaktionen zu verhindern oder zu minimieren.
Die mit dieser Methode hergestellten Perowskit-Photovoltaikzellen wiesen einen Wirkungsgrad von 23,9 % und eine Betriebsstabilität von über 1000 Stunden auf. Dabei wurde auch ein Rekordwirkungsgrad von 21,4 % für Perowskit-Module mit einer aktiven Fläche von 26 cm2 erzielt.