HZB arbeitet an stabilen Perowskit-Solarzellen ohne Blei

Eine bleifreie Solarzelle auf Perowskitbasis, die über einen langen Zeitraum stabile Leistung bietet – das ist das Ziel einer internationalen Kooperation unter der Leitung von Antonio Abate vom Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) und Zhao-Kui Wang vom Institut für funktionelle Nano- und weiche Materialien (FUNSOM) der Soochow Universität in China. Denn zurzeit enthalten leistungsstarke Perowskit-Solarzellen noch das giftige Schwermetall – ohne Blei werden nur geringe Wirkungsgrade erreicht, die zudem noch schnell abnehmen. Das HZB teilt nun als erstes Ergebnis der Forschungskooperation mit, dass sich auch mit Zinn statt Blei stabile Perowskit-Schichten herstellen lassen. Organische Verbindungen schützen demnach das Zinn vor Oxidation und sorgen für Stabilität.

Zinn galt laut HZB schon vorher als beste Alternative für Blei in Halogenidperowskiten. In der Theorie sollten Halogenidperowskite mit Zinn anstelle von Blei ausgezeichnete optische Eigenschaften aufweisen, in der Praxis jedoch seien ihre Wirkungsgrade mittelmäßig und würden wegen der Reaktionen der Zinn-Kationen mit dem Sauerstoff aus der Umgebung schnell abnehmen. Das Forscherteam habe nun organische Gruppen in das Material eingefügt und dadurch eine zweidimensionale Struktur geschaffen, die zu sogenannten 2D-Ruddlesden-Popper-Phasen führe. „Wir verwenden Phenylethylammoniumchlorid (PEACl) als Zusatz zu den Perowskitschichten“, erklärt Erstautor Meng Li. Li ist Postdoc in der Gruppe von Abate und hat die enge Zusammenarbeit mit den chinesischen Partnern organisiert. Li weiter: „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.“

In der Shanghai Synchrotron Radiation Facility (SSRF) wurden dann die Morphologie und die Kristalleigenschaften der Perowskitfilme nach verschiedenen Glühbehandlungen analysiert. Lau HZB erreichten die besten dieser bleifreien Perowskit-Solarzellen einen Wirkungsgrad von 9,1 Prozent und hohe Stabilitätswerte sowohl bei Tageslicht als auch im Dunkeln. Denn 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. Antonio Abate vom HZB ist daher überzeugt, dass die Arbeit des Forscherteams den Weg für effizientere und stabilere bleifreie Perowskit-Solarzellen ebnen wird.