Solarzellen mit neuen Schnittflächen: Innovatives zweidimensionales Material steigert den Wirkungsgrad

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MOSKAU, 23. September 2019 /PRNewswire/ -- Wissenschaftler der NUST MISIS (Russland) und der römischen Universität Tor Vergata haben erkannt, dass eine mikroskopische Menge zweidimensionalen  Titancarbid, bekannt als MXene, die Sammlung von elektrischen Ladungen in einer Perowskit-Solarzelle bedeutend verbessert, was den letztendlichen Wirkungsgrad um mehr als 20 % erhöht. Diese Forschungsergebnisse wurden in Nature Materials veröffentlicht.

Solarzellen mit dünner Perowskit-Beschichtung stellen eine vielversprechende neue, und derzeit weltweit aktiv in der Entwicklung steckende Technik für alternative Energiequellen dar. Einer der Vorteile ist der einfache, kostengünstige  Herstellungsprozess: Perowskit-Solarzellen können ohne den Einsatz von Vakuum- oder Hochtemperaturprozessen, wie sie für herkömmliche Siliziumzellen erforderlich sind, auf besonderen Tintenstrahldruckern oder Schlitzdüsendruckern aus Lösungen gedruckt werden. Einen weiteren Vorteil bietet die Möglichkeit der Herstellung flexiblen Trägermaterials aus Plastik, wie das geläufige Polyethylenterephthalat (PET). Dies erlaubt die Nutzung von Perowskit-Photovoltaik (PV) zur Integration in Gebäuden, bei der die dünne Beschichtung an Wände und/oder andere Flächen montiert werden kann, wie z. B. gebogene Glasfassaden und Fenster.

Angesichts dieser neuen PV-Technologie beläuft sich das internationale Forschungsbestreben auf die Entwicklung der besten Strategie zur Wirkungsgradverbesserung durch Stabilität der Perowskit-Solarzellen. Der Wirkungsgrad der Perowskit-Solarzellen ist bereits mit dem analoger Siliziummodelle vergleichbar, die auf dem Markt dominieren (der bisher höchste Wirkungsgrad von Perowskit liegt bei 25,2 % und der von Siliziumzellen bei 26,7 %). Allerdings sind Perowskit-Solarzellen aufgrund von mehreren internen Zersetzungsfaktoren noch instabil. Mehrere Forschergruppen aus Universitäten und F&E-Unternehmen drängen derzeit nach Untersuchungen und Studien zur Lösung der Instabilitätsprobleme von Perowskit-Zellen und deren Wirkungsgradsteigerung. Bei den meisten Ansätzen geht es um die Optimierung der chemischen Zusammensetzung von Perowskit, die Stabilisierung der Schnittflächen der Einheit und die Aufnahme neuen Nanomaterials.

Ein internationales Team aus Wissenschaftlern des L.A.S.E. (Laboratory for Advanced Solar Energy), Abteilung für Funktionale Nanosysteme und Hochtemperaturwerkstoffe, beide bei der NUST MISIS in Russland, und der Universität Tor Vergata in Rom gaben unter der Leitung von Professor Aldo Di Carlo ihren anfänglichen Ansatz eines Perowskit -Solarzellendesigns mit höherer Leistung bekannt, d. h. der Einsatz von zweidimensionalen Titancarbid-Verbindungen mit dem Namen MXenes zur Dotierung von Perowskit.

„Wir haben entdeckt, dass MXenes aufgrund ihrer einzigartigen zweidimensionalen Beschaffenheit zur Feineinstellung der Schnittflächeneigenschaften von Perowskit verwendet werden können, was eine neue Optimierungsstrategie für diese 3. Generation der Solarzelle erlaubt", sagt Professor Di Carlo.

Die Solarzelle mit dünner Perowskit-Beschichtung besteht aus einer Sandwich-ähnlichen Struktur, in der die Aufladungen über die Schnittflächen von einer Schicht zur nächsten gelangen und selektiv an den Elektroden sammeln, dessen Ergebnis die Energieumwandlung aus Sonnenlicht in Strom darstellt. Kurz gesagt sollten die Elektronen aus der Absorberschicht ohne die von internen Energiebarrieren möglicherweise induzierten Verluste auf die Elektroden übertragen werden, und die Aufnahme von MXene verbessert diesen Prozess.

„Zur Wirkungsgradsteigerung der Perowskit-Solarzellen müssen wir die Struktur der Einheit, die Master-Schnittfläche und die Mengeneigenschaften jeder einzelnen Schicht optimieren, um den Prozess der Aufladungsextrahierung an die Elektroden zu verbessern", sagt Danila Saranin dazu, eine der Verfasser*innern und Forscherin bei L.AS.E. – „Zur Problemlösung haben wir gemeinsam mit unseren italienischen Kollegen eine Reihe von Experimenten durchgeführt, bei denen wir eine mikroskopische Menge der MXene in die Perowskit-Solarzelle aufnahmen. Am Ende erzielten wir im Vergleich zu den ursprünglichen Prototypen eine Wirkungsgradsteigerung der Einheiten um mehr als 25 %."

MXene wurden auf sequenziell indifferente Schichten der Perowskit-Solarzelle angewendet: lichtabsorbierende Schichten, Elektrontransportschichten, die auf Titandioxid basieren, sowie auf die zwischengelagerte Schnittfläche. Nach Analyse der Ausgabeleistung entdeckten wir, dass die effizienteste Konfiguration die mit der Aufnahme von MXenen in allen Schichten, einschließlich der Schnittfläche, war. Die Ergebnisse dieser Experimente konnten durch die passende Modellierung der gewonnenen Zusammensetzung bestätigt werden.

Diese Arbeit ist einzigartig: es ist nicht nur der erste Bericht, der eine Reihe von Experimenten und deren Ergebnisse dokumentiert, sondern eine eindeutige Erklärung der Mechanismen, die aus physikalisch-chemischer Sicht in einer modifizierten Perowskit-Solarzelle stattfinden.

„Das Hauptergebnis dieser Arbeit ist die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften von Halbleitern, die durch den Zusatz von MXenen entstehen. Demzufolge birgt dieses neue Nanomaterial enormes Potenzial für den Einsatz in der Massenproduktion", setzt Anna Pazniak, eine der Verfasser*innen, hinzu.

Derzeit ist das Team bemüht, die sich ergebende Einheit zu stabilisieren und den Wirkungsgrad zu erhöhen. Die Studie wurde im Rahmen eines Mega-Stipendiums der Regierung der Russischen Föderation finanziert.

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