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|Chlorid (grün) macht günstiges Ausgangsmaterial für Solarzellen|
stabiler - und damit vielleicht einen signifikanten Unterschied
für eine nachhaltige Zukunft. Quelle: David Egger
Vorahnung: Tatsächlich gab es bereits Hinweise aus Arbeiten mit Perowskiten, die statt Jodid Chlor-Ionen enthielten und ahnen ließen, dass eine Chlorid-Anreicherung des Materials dessen Stabilität erhöhen würde. Doch stellte sich heraus, dass die Chlorid-Anreicherung von Jodid-haltigen Perowskiten ausgesprochen schwierig ist. Egger, seine Kolleginnen und Kollegen wählten einen interdisziplinären Zugang um dennoch herauszufinden, ob Chlorid sich positiv auf die Stabilität cäsiumhaltiger Perowskite auswirken würde. „Einerseits konnten wir mit atomistischen Simulationen zeigen, dass sich Chlorid schnell im Material bewegen kann, leicht in dieses einzubauen ist und dessen Stabilität erhöhen würde. Unsere Kollegen aus der experimentellen Physik entwarfen schließlich andererseits einen neuen Herstellungsprozess, um Chlor ins Material einzubringen, was mit einem chemischen Sinterprozess auch gelang“, erläutert Egger die internationale Zusammenarbeit zwischen dem Weizmann-Institut in Israel und Forschern der Drexel University und University of Pennsylvania in den USA.
Überrascht war das Forscherteam dann, als es die Stabilität des neu entstandenen Cäsium-Blei-Jodid-Chlorid analysierte. Da die neuartigen Perowskite oftmals besonders instabil im Kontakt mit Wasser sind, untersuchten sie die Stabilität der neuen Materialmischungen bei verschiedenen Luftfeuchtigkeiten. Tatsächlich zeigte das neue Material bei 54 Prozent relativer Luftfeuchtigkeit eine sechsfach längere Halbwertzeit als Kontrollmaterialien ohne Chlorid-Dotierung. Bei einer geringeren Luftfeuchtigkeit von elf Prozent verlängerte sich die Halbwertzeit sogar weiter.
Dazu Egger: „Die Verlängerung der Halbwertzeit der für Solarzellen interessanten Phase war bei elf Prozent Luftfeuchtigkeit so enorm, dass wir innerhalb der durch unsere Gerätevoraussetzungen maximal möglichen 96 Stunden keinen Phasenübergang des Cäsium-Blei-Jodid-Chlorid mehr messen konnten. Bei undotiertem Material hingegen passierte dies viel schneller, womit wir eine Verlängerung der Halbwertzeit um mindestens zwei Größenordnungen bestätigen konnten.“ Indem sie Ergebnisse aus Experiment und Theorie erneut kombinierten, bestimmte das Forscherteam schließlich den Anteil der Chlor-Ionen in dem neu hergestellten Material und stellte fest, dass eine Anreicherung über zwei Prozent hinaus nicht möglich ist. Diese grundlegenden Erkenntnisse, die Egger im Rahmen seines Schrödinger-Stipendiums des FWF im Team erarbeiten konnte, liefern einen wichtigen neuen Ansatz, um das enorme Potenzial von Solarzellen auf Perowskit-Basis tatsächlich praktisch nutzbar zu machen.
Quelle: Wissenschaftsfonds