Ein Wissenschaftlerteam der King Abdullah University of Science and Technology (KAUST) in Saudi-Arabien hat ein Verfahren zum Züchten von Einkristall-Perowskiten entwickelt und mit 21,09 Prozent einen Rekordwirkungsgrad für diese Technologie erzielt. Teilweise sind Perowskite bereits auf dem Weg zur Marktreife, und ihr Potenzial für hocheffiziente Solarzellen ist bekannt. Universitäten und Forschungsinstitute auf der ganzen Welt arbeiten an einer Vielzahl verschiedener Konfigurationen und Verfahren, um aus Perowskiten das Beste herauszuholen.
Der jüngste Durchbruch von KAUST betrifft Einkristall-Perowskite. Bei Silizium sind die Vorteile des Einkristallwachstums bekannt, aber bei Perowskiten hat sich dieser Prozess bisher als schwierig erwiesen. Die Stabilitätsprobleme, mit denen Perowskite zu kämpfen haben, sind in erster Linie auf die Tendenz von Kristallen zurückzuführen, ungeordnet und mit einer hohen Anzahl von Defekten zu wachsen, von denen viele an der Grenze zwischen einzelnen Kristallen auftreten. Das Züchten eines Einkristall-Perowskits könnte eine Möglichkeit sein, viele dieser Defekte zu beseitigen, und wird daher von KAUST und mehreren anderen Forschungsinstituten als eine lohnende Herausforderung gesehen, die es zu bewältigen gilt. „Wir sind der Ansicht, dass diese Einkristalle der Perowskit-Solarzellentechnologie eine Chance bieten, ihre Einschränkungen zu überwinden und der theoretischen Effizienzgrenze so nahe wie möglich zu kommen“, sagt Omar Mohammed, Assistenzprofessor für chemische Wissenschaften bei KAUST und Co-Autor des Forschungsberichts.
Mohammed und sein Team stellten Einkristalle aus Methylammonium-Bleitriiodid (MAPbI3) mit einer Methode her, bei der der Kristallisationsprozess zwischen zwei polymerbeschichteten Substraten gestartet wurde, die das Kristallwachstum physikalisch auf eine Dimension beschränken. Ihr Verfahrenhaben sie in dem in der Fachzeitschrift ACS Energy Letters veröffentlichten Aufsatz ‚Single-Crystal MAPbI3 Perovskite Solar Cells Exceeding 21% Power Conversion Efficiency‘ beschrieben. Die erzeugten Kristalle waren 20 Mikrometer dick. Diese wurden dann mit Kupfer zu Solarzellen mit einer Grüße von einem Quadratmillimeter verarbeitet, die den maximalen Wirkungsgrad von 21,09 Prozent erreichten.
Das Team zeigte sich überrascht von den Ergebnissen und will nun die Herausforderung angehen, kristalline Schichten mit weniger als 20 Mikrometer Duicke anzugehen, was die Forscher als „extrem herausfordernd“ bezeichnen. Perowskit-Einkristalle müssen natürlich um ein Vielfaches größer sein als die hier erreichten drei bis sechs Millimeter, um von kommerziellem Interesse zu sein. Aber die Forscher betonen das Potenzial von Einkristallen bei der Entwicklung von Solarzellen auf Perowskit-Basis.
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Bei der oft euphorischen Berichterstattung über die neuen Wunder-Solarzellen aus Perowskiten wird der Anschein erweckt, das Material sei „Perowskit“. Dabei ist Perowskit nur die Bezeichnung für die Kristallstruktur, die sich in dem verwendeten Material ausbildet. Das Material selbst wird meist verschwiegen. Möglicherweise aus gutem Grund.
In dem hier veröffentlichten Text wird – zwar leider erst im hinteren Teil des Textes aber immerhin – das eigentliche Material beim Namen genannt: Methyl-Ammonium-Blei-tri-Jodid (MAPbI3). Eine Mischung also aus Methyl, Ammonium, Blei und Jod.
Im Internet finden sich wenig konkrete Informationen über das Material, aber so viel, dass es sich wenig gesund anhört. Methylammonium in Verbindung mit Jod ist ein organisches Hallogenid bei dem sich u. a. die Frage stellt, ob es krebserregend wirkt. Blei ist wie Quecksilber eines der schlimmsten Nervengifte und für die Verwendung in den meisten Produkten EU-weit verboten.
Konkrete Angaben zu diesen Fragen sind schwer zu finden. Auf dieser Seite der Uni Darmstadt findet sich wenigstens eine technische Erklärung zum Material:
https://www.mawi.tu-darmstadt.de/of/of/forschung_2/solarzellen/perowskitsolarzellen/perovskitsolarzellen_1.de.jsp
Vielleicht weiß jemand Näheres über gesundheitliche Gefahren und Umweltwirkungen?