Materialentdeckungen signalisieren rosige Zukunft für Solarzellen
Halogenid-Perowskite sind eine Klasse von Halbleitermaterialien, die Sonnenlicht in Elektrizität (und Elektrizität in sichtbares Licht in LED) umwandeln können, wenn sie in Solarzellen genutzt werden. Obwohl das Material seit Jahrzehnten bekannt ist, wurde sein beachtliches Potenzial für die Photovoltaik (Solarzellen) erst vor Kurzem erkannt. „Im Gegensatz zu herkömmlichen Halbleitermaterialien wie Silizium haben Halogenid-Perowskite mehrere Vorteile“, erklärt Henk Bolink, Professor am Institut für Molekulare Wissenschaft der Universität Valencia in Spanien. „Hochwertige Perowskite können durch einfachste chemische Verfahren gebildet werden. Das Material kann dann so gestaltet werden, dass das gesamte sichtbare Spektrum von infrarot bis ultraviolett abgedeckt wird, woraus sich zahlreiche mögliche Anwendungsbereiche ergeben, wie Solarzellen und weiße LED.“ Bei der Kommerzialisierung dieses Materials erweist sich jedoch vor allem seine wirtschaftliche Tragfähigkeit als schwierig. Große Photovoltaikanlagen müssen eine Lebensdauer von mindestens zehn Jahren haben, während die modernsten LED Tausende Stunden in Betrieb sind. „Daher muss die Stabilität der Photovoltaikmodule und LED auf Perowskit-Basis unbedingt verbessert werden“, sagt Bolink. Ein weiteres Problem ist, dass alle hocheffizienten Solarzellen und LED aus Halogenid-Perowskiten geringe Mengen von giftigem Blei enthalten. Bleifreie Perowskite müssten nicht mehr eingeschlossen und recycelt werden. Durch eine lösungsmittelfreie Verarbeitung könnten Perowskite außerdem attraktiver werden.
Gering toxische Alternativen
Das Projekt PerovSAMs wurde im Januar 2018 ins Leben gerufen und sollte gering toxische Alternativmaterialien für Halogenid-Perowskite aus Blei finden sowie lösungsmittelfreie Herstellungsverfahren entwickeln. An der Forschung war Francisco Palazon als Einzelstipendiat im Rahmen der Marie-Skłodowska-Curie-Maßnahmen beteiligt. „Manchmal sind die einfachsten Ideen die besten“, sagt Bolink. „Bevor wir anfingen, hätten wir nicht gedacht, dass das Schleifen mehrerer Chemikalien so viele interessante Materialien hervorbringen könnte. Doch nach und nach erkannten wir das große Potenzial dieses Verfahrens.“ Das Projektteam untersuchte verschiedene chemische Zusammensetzungen. „Die Suche nach einer Alternative für Blei in Form von umweltfreundlichen Metallen führte uns zu ‚exotischeren‘ Werkstoffen wie ternären Kupferhalogeniden“, so Bolink weiter. Eine wesentliche Herausforderung war die Verwandlung dieser pulverförmigen Materialien in dünne Filme (wie man sie in Vorrichtungen wie Solarzellen finden könnte). Um die Materialien in das jeweils gewünschte Substrat zu kondensieren, wurde ein Verfahren zur Erhitzung von Pulver in einer Vakuumkammer entwickelt. „Zu unserer Überraschung stellten wir außerdem fest, dass sich hochwertiges Granulat, das für Röntgendetektoren von Interesse sein könnte, einfach durch das Pressen der Pulver fertigen lässt“, erklärt Bolink.
Potenzial für die Industrie
Über den Erfolg des PerovSAMs-Projekts bei der Entwicklung eines Produktionsverfahrens auf Vakuumbasis und der Herstellung von gering toxischen Kupferhalogeniden mit einer hellblauen Lumineszenz wurde in wissenschaftlichen Fachzeitschriften berichtet. „Die im Rahmen des Projekts entwickelte Technik hat gute Chancen, in der Industrie eingesetzt zu werden“, so Bolink. „Wir optimieren gerade die Verfahren, um eine umfangreichere Produktion möglich zu machen.“ Das Projekt hat außerdem eine neue Forschungslinie zu Halogenid-Perowskiten und der damit verbundenen Optoelektronik ins Leben gerufen. „Wir gehen davon aus, dass die Verfahren, die wir angewendet haben, immer mehr Verwendung finden werden“, sagt Bolink. „Das wird bei der Entdeckung neuer Materialien und ihrer Nutzung in Photovoltaikanlagen und anderen Anwendungsbereichen helfen.“ Die schnelle Entwicklung der Perowskit-Zusammensetzungen ist einer der Ausgangspunkte für das ERC-finanzierte Projekt HELD, bei dem Bolink als Hauptforscher agiert. Das Projekt wurde im September 2019 gestartet und soll stark lumineszierende mehrschichtige Stapel und reproduzierbare Produktionsmethoden hervorbringen. „Hier entwickeln wir die Methoden weiter, für die PerovSAMs den Weg bereitet hat, und verwandeln Pulver in homogene dünne Filme“, sagt er abschließend.
Schlüsselbegriffe
PerovSAMs, Halogenid-Perowskite, Solar, LED, Photovoltaik, toxisch, lumineszierend, Optoelektronik, lösungsmittelfrei, chemisch
