Durchbruch bei Perowskit-Solarzellen ohne Blei

© HZB, Helmholtz Zentrum BerlinBerlin - Die besten Perowskit-Solarzellen schaffen zwar bereits enorme Wirkungsgrade, enthalten aber giftiges Blei. Forschern ist bei der Entwicklung von bleifreien Perowskit-Solarzellen nun ein Durchbruch gelungen.

Auf der Suche nach alternativen Materialien für Solarzellen spielen Perowskite eine große Rolle. Bisher konnten nur bleihaltige Perowskit-Solarzellen hohe Wirkungsgrade von über 25 Prozent erreichen. Doch das soll sich mit Hilfe von Zinn und einer vor Oxidation schützenden organischen Schicht ändern.

Das Problem: Ersatz von Blei in Perowskit-Solarzellen ohne Wirkungsgradverluste
Unter den neuen Materialien für Solarzellen gelten die Halogenidperowskite als besonders vielversprechend. Innerhalb weniger Jahre kletterte der Wirkungsgrad solcher Perowskit-Solarzellen von einigen wenigen Prozent auf über 25 %. Leider enthalten die besten Perowskit-Solarzellen giftiges und umweltschädliches Blei. Das Blei durch weniger giftige Elemente zu ersetzen ist schwieriger als gedacht. Eine der besten Alternativen ist Zinn. Halogenidperowskite mit Zinn anstelle von Blei sollten ausgezeichnete optische Eigenschaften aufweisen, aber in der Praxis sind ihre Wirkungsgrade mittelmäßig und nehmen schnell ab. Und diese rasche "Alterung" ist ihr Hauptnachteil: Die Zinnkationen in der Perowskitstruktur reagieren sehr schnell mit Sauerstoff aus der Umgebung, so dass ihre Effizienz abnimmt. Mit einem neuen Verfahren wird dieser Nachteil verhindert.

Durchbruch zur Lösung: Einbettung organischer Gruppen in das zinnbasierte Perowskitmaterial
Eine internationale Kooperation unter der Leitung von Antonio Abate, Helmholz Zentrum Berlin (HZB), und Zhao-Kui Wang, Institut für funktionelle Nano- und weiche Materialien (Funsom), Soochow Universität, China, hat einen Durchbruch erzielt, der einen Weg zu ungiftigen Solarzellen auf Perowskitbasis eröffnet. Die neuen Solarzellen bieten im Ergebnis über einen langen Zeitraum stabile Leistung. Sie verwenden ebenfalls Zinn anstelle von Blei, haben jedoch durch Einfügen organischer Gruppen in das Material eine zweidimensionale Struktur geschaffen, die zu so genannten 2D-Ruddlesden-Popper-Phasen führt.

"Wir verwenden Phenylethylammoniumchlorid (PEACl) als Zusatz zu den Perowskitschichten. Dann führen wir eine Wärmebehandlung durch, während die PEACl-Moleküle in die Perowskit-Schicht einwandern. Dies führt zu vertikal geordneten Stapeln von zweidimensionalen Perowskit-Kristallen", erklärt Erstautor Dr. Meng Li, Postdoc in der Gruppe von Abate.

Weg ist frei für effiziente und bleifreie Perowskit-Solarzellen
Die besten dieser neuen, bleifreien Perowskit-Solarzellen erreichten einen Wirkungsgrad von 9,1 Prozent und hohe Stabilitätswerte, sowohl unter Tagesbedingungen als auch im Dunkeln. Die PEACl-Moleküle reichern sich durch die Wärmebehandlung zwischen den kristallinen Perowskit-Lagen an und bilden eine Barriere, die verhindert, dass die Zinn-Kationen oxidieren. „Diese Arbeit ebnet den Weg für effizientere und stabilere bleifreie Perowskit-Solarzellen“ ist Abate vom HZB überzeugt.